[发明专利]基于ROS平台的六旋翼无人机MPC控制方法

说明书

本发明公开的一种基于ROS平台的六旋翼无人机MPC控制方法，属于无人机智能控制领域。本发明建立了六旋翼无人机的动力学模型，通过将模型线性化处理，解决了六旋翼无人机模型高度非线性、强耦合的问题，大大简化了控制目标；采用模型预测控制方法设计出了无人机单级控制器，控制结构采用闭环控制方法，实现对无人机位置和姿态的控制，突破了传统无人机需要级联两级控制器的桎梏。具有自主性强，跟踪精准，稳定性高，成本低等优点，可应用于无人机电力线路巡检等领域。

技术领域

本发明属于无人机智能控制领域，尤其涉及一种基于ROS平台的六旋翼无人机MPC控制方法。具体涉及一种基于模型预测控制(model prediction control，MPC)和机器人操作系统(robot operating system，ROS))进行六旋翼无人机轨迹跟踪控制的方法。

背景技术

随着电力基础设施的完善和普及，为了确保电力系统的稳定运行，有必要对电力线路进行巡检。而电力线路所在位置往往是崇山峻岭，环境恶劣，威胁电力工作人员的生命健康。因此，采用无人机进行安全有效的电力巡检至关重要。与多旋翼系统相比，固定翼飞机更适合监视以及大规模的测绘任务，因为它们具有更长的续航能力和更高的速度，而对于需要靠近结构飞行以获得详细信息的检查任务，多旋翼无人机更合适。

但是目前传统的多旋翼无人机电力巡检需要人工遥控、依赖操作人员的技术和经验，缺乏自主性，人工控制精度低且成本高。这在一定程度上影响了电力巡检的有效性，存在漏检等问题。除此之外为解决无人机位置量和姿态角强耦合的问题，传统的无人机控制方法均是位置控制器和姿态控制器级联，两级控制器设计复杂度高，占用硬件资源。可见，可用于多旋翼无人机实现精准稳定的自主轨迹跟踪的控制方法有待进一步开发。

发明内容

本发明公开的一种基于ROS平台的六旋翼无人机MPC控制方法，尤其能解决传统无人机电力巡检依赖人工遥控、控制精度低、巡检有效性差以及无人机飞行稳定性差等问题，能实现电力线路的自主精准巡检。

本发明通过以下的技术方案实现以上发明目的。

本发明公开的一种基于MPC的六旋翼无人机轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤一：建立动力学模型。

根据Newton-Euler方法建立六旋翼无人机的非线性动力学模型，其表达式如下：

式(1)中x、y和z分别表示无人机的三维坐标，θ和ψ分别表示无人机的横滚角、俯仰角和偏航角，ω_i(i＝1,2,…,6)表示六旋翼无人机六个旋翼的转速，b是无人机的升力系数，m是无人机的质量，g是重力加速度，I_x、I_y和I_z分别是无人机x轴、y轴、z轴的转动惯量。M_x、M_y和M_z分别是无人机的横滚力矩、俯仰力矩和偏航力矩，其表达式如下所示

式(2)中d是无人机的阻力系数，l是无人机力臂长度，ω_i(i＝1,2,…,6)是无人机六个旋翼的转速。由式(1)可知，六旋翼无人机动力学模型存在高度非线性，状态量之间以及状态与控制输入之间强耦合的问题，增加了其控制难度，因此传统无人机控制方法往往是分别设计位置和姿态控制器，二者级联以达到解耦的目的。由于无人机动力学模型为二阶系统，模型预测控制无法直接应用到无人机系统上去，因此需要降维处理，选取状态量q(t)为无人机位置量和姿态角以及线速度和角速度，即无人机的升力以及三个坐标轴上的力矩M_x、M_y和M_z作为控制输入量u(t)，得到六旋翼简化动力学模型：

式(3)中f:

步骤二：求取参考轨迹。