[发明专利]基于自适应非线性模型预测控制的四旋翼无人机避障方法

权利要求书

1.一种基于自适应非线性模型预测控制的四旋翼无人机避障系统，其特征在于，所述系统包括地面任务管理系统、传感系统、自适应非线性模型预测避障系统和动力系统；

其中，地面任务管理系统用于提供四旋翼无人机的目标轨迹信息以及实时障碍信息，

传感系统用于获取四旋翼无人机的实时状态，

自适应非线性模型预测避障系统用于获得无人机的控制指令；

动力系统用于执行控制指令。

2.根据权利要求1所述的基于自适应非线性模型预测控制的四旋翼无人机避障系统，其特征在于，所述自适应非线性模型预测避障系统包括非线性模型预测避障子系统和自适应故障处理子系统，

其中，所述非线性模型预测避障子系统利用目标轨迹、实时障碍信息和四旋翼无人机的实时状态，获得最优控制策略，为自适应故障处理子系统提供参考指令；

所述自适应故障处理子系统根据参考指令和四旋翼无人机的实时状态，调整控制策略，输出控制指令到动力系统。

3.一种基于自适应非线性模型预测控制的四旋翼无人机避障方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，获取无人机目标轨迹信息和障碍物信息；

步骤2，获取无人机的实时状态；

步骤3，根据步骤1和步骤2的信息，获得控制指令。

4.根据权利要求3所述的基于自适应非线性模型预测控制的四旋翼无人机避障方法，其特征在于，步骤3包括以下子步骤：

步骤3-1，根据目标轨迹、障碍物信息和无人机的实时状态，无人机进行避障控制，获得参考指令；

步骤3-2，根据参考指令和无人机的实时状态，无人机进行自适应控制，获得控制指令。

5.根据权利要求4所述的基于自适应非线性模型预测控制的四旋翼无人机避障方法，其特征在于，步骤3-1中，

所述避障控制通过非线性模型预测避障子系统进行，其采用的模型预测控制方法的成本函数如下式所示：

其中，x^*(t)为无人机的目标状态、x(t)为传感系统输出的实时状态信息；u_r(t)为参考指令；Q和R为权重矩阵；J_AC为成本函数附加项，

a为误差系数，b为附加成本权重，x_o为障碍物位置，x为四旋翼无人机的状态。

6.根据权利要求4所述的基于自适应非线性模型预测控制的四旋翼无人机避障方法，其特征在于，步骤3-2包括以下子步骤：

步骤3-2-1，获得基础控制器输出指令；

步骤3-2-2，对基础控制器输出指令进行增益调整，获得控制指令。

7.根据权利要求6所述的基于自适应非线性模型预测控制的四旋翼无人机避障方法，其特征在于，步骤3-2-2中，通过下述自适应律对基础控制器输出指令进行增益调整：

其中，Θ_x，Θ_r为自适应增益，分别表示状态反馈增益和指令增益；Γ_x，Γ_r为自适应更新率，分别表示状态反馈增益自适应率和指令增益自适应率，x为四旋翼无人机的状态；u_r为参考指令；e为被控对象与参考模型状态之间的误差，B为被控对象状态空间模型的控制矩阵，P_l为稳定矩阵，通过下式获得：

优选Q₂＝I，I为单位矩阵。

8.根据权利要求7所述的基于自适应非线性模型预测控制的四旋翼无人机避障方法，其特征在于，所述自适应故障处理的控制律通过下式获得：