[发明专利]一种基于显式模型预测的四旋翼多电机转速协同控制方法

说明书

本发明公开了一种基于显式模型预测的四旋翼多电机转速协同控制方法。四旋翼的前端控制器根据期望四旋翼的运动生成控制量的给定值，计算获得四旋翼的四个电机的转速给定值；结合预测模型和价值函数构造得到四旋翼多个电机的转速协同显式模型预测控制器；计算出四旋翼的多个电机的转速给定值的补偿值；根据转速给定值的补偿值获得转速给定值的修正值；根据转速给定值的修正值采用显式模型预测控制方法线下计算出多个电机的最优电压给定值，线上通过查询表格获得最优电压给定值去控制电机。本发明通过线下计算获取最优控制律和线上查表执行最优控制律，突破性地实现了四旋翼多电机之间的有效合作和对控制量的闭环控制，具有优良的动态响应。

技术领域

本发明涉及一种四旋翼的多个电机转速控制方法，特别是涉及了一种基于显式模型预测的四旋翼的多个电机转速协同控制方法。

背景技术

永磁同步电机凭借其功率密度大、响应速度快等优势被广泛应用于高档数控机床、多轴联动伺服系统等先进领域。四旋翼使用四个永磁同步电机构成其终端执行机构。

四旋翼通过对它的四个电机进行转速控制，可以产生期望的运动。但目前国内外对于四旋翼的研究，主要集中在路径规划、运动控制器设计等环节上，而对于电机的转速控制的研究非常匮乏。四旋翼的四个电机的转速控制依旧采用相互独立的、最传统的级联PI控制方法。

这种控制方法导致每个四旋翼都需要大量的控制器，结构非常复杂、参数调节困难；并且这种方法没有考虑四旋翼的四个电机之间的协同合作，四个电机的转速控制是相互独立的，若遇强风、阵风、局部故障等恶劣工况，控制效果会很差。

发明内容

为了克服四旋翼现有控制方法中结构复杂、四个电机的转速之间无协同合作的不足之处，本发明建立了一种对四旋翼的四个电机统一建模、考虑电机转速之间协同合作、基于显式模型预测的多个电机转速协同控制方法，实现多个电机的负载共承担、误差共消除，最终实现对四旋翼的优良控制。

四旋翼通常为实现对给定飞行轨迹的跟踪，由前端控制器生成控制量的给定值和多电机的转速给定值，将转速给定值输入至由四个永磁同步电机构成的终端执行机构中，通过控制四个电机的转速来产生期望的升力和扭矩，继而实现四旋翼位置和姿态的调整。

为解决现有控制方法无法实现多电机之间协同合作的问题，本发明结合四旋翼和永磁同步电机的工作原理和模型，将四旋翼的多个电机视为一个整体，构造了考虑四个电机转速之间耦合关系的多电机模型，并采用前向欧拉法将其离散化得到多电机预测模型；构建了以单电机转速跟随、负载平衡、i_d＝0和多电机负载共分担、误差共消除、对控制量给定值迅速跟随为综合目标的二次型价值函数以及线性约束组。基于上述构造出多电机转速协同显式模型预测控制器进行协同控制。

为实现上述目标，如图1和图2所示，本发明具体采用以下技术方案：

1)四旋翼的四个电机的转速给定值ω^*的生成：

首先，对四旋翼使用四个控制量u＝[u₁ u₂ u₃ u₄]^T来控制运动，其中u₁、u₂、u₃、u₄分别表示总升力、翻滚力矩、俯仰力矩和偏航力矩，T表示矩阵转置；四旋翼的前端控制器根据期望四旋翼的运动生成控制量的给定值u^*＝[u₁^* u₂^* u₃^* u₄^*]^T，上标*代表给定值；