[发明专利]基于ROS平台的六旋翼无人机MPC控制方法

权利要求书

1.基于ROS平台的六旋翼无人机MPC控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立动力学模型；

步骤二：求取参考轨迹；

步骤三：模型线性化；

步骤四：模型预测；

步骤五：滚动优化；

步骤六：反馈校正。

2.如权利要求1所述的基于ROS平台的六旋翼无人机MPC控制方法，其特征在于，步骤一的实现方法为：

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

3.如权利要求1所述的基于ROS平台的六旋翼无人机MPC控制方法，其特征在于，步骤二的实现方法为：

规划无人机电力巡检路线，基于步骤一所建立的动力学模型，根据规划的路线采用数值计算求解出无人机飞行过程中的参考轨迹q_r(t)以及参考控制输入u_r(t)：

4.如权利要求1所述的基于ROS平台的六旋翼无人机MPC控制方法，其特征在于，步骤三的实现方法为：

将步骤一建立的六旋翼简化数学模型在参考点处进行泰勒展开，进行线性化处理，得到无人机线性误差模型；

式(5)中e(t)＝q(t)-q_r(t)，A(t)和B(t)分别是函数f(q(t),u(t))相对于q(t)和u(t)的Jacobian矩阵；由式(5)可知，线性化处理解决了六旋翼无人机高度非线性和强耦合的问题，控制难度大大降低，由此便可以使用单机控制器直接控制；设置采样周期为T，将式(5)离散化处理得到：

5.如权利要求1所述的基于ROS平台的六旋翼无人机MPC控制方法，其特征在于，步骤四的实现方法为：

首先基于步骤三建立的无人机线性误差模型进行预测，取预测状态变量代入式(6)中得到

y(k|k)＝CX(k|k) (8)

式(7)中各矩阵定义如下所示：

设置预测时域为N_p，控制时域为N_c，递推X(k+1|k)至X(k+N_p|k)，由于y(k+i|k)＝CX(k+i|k),i＝1,2,...,N_p，写成紧凑形式为

Y(k)＝Ψ(k)X(k|k)+Θ(k)U(k) (10)

式(10)中各矩阵定义如下：