[发明专利]四旋翼无人飞行器的飞行控制方法

摘要

本发明提供一种四旋翼无人飞行器的飞行控制方法，包括步骤S10建立四旋翼飞行器的动力学模型，QUAV的动力学方程;S20设计基于复合控制的控制方式来控制步骤S10中动力学方程转换而来的四个独立的控制通道，所述四个通道的控制方式分别分别为高度PID、翻滚ADRC、俯仰ADRC、偏航EACS‑PID，经过控制量的转换控制调节四个旋翼的转速来达到姿态控制。本发明提供的方法能使得四旋翼无人飞行器适应外界环境变化，偏航EACS‑PID可以实现控制参数自适应调整，翻滚ADRC、俯仰ADRC可以以更主动的方式进行抗扰，高度PID在保持很好的抗干扰能力和鲁棒性的同时避免了程序过于复杂，降低四旋翼无人机的处理器负荷，提高硬件的运行效率。

主权项

一种四旋翼无人飞行器的飞行控制方法，包括以下步骤：S10：建立四旋翼飞行器的动力学模型，QUAV的动力学方程为；其中，θ、ψ分别为四旋翼无人飞行器的翻滚角、俯仰角和偏航角，l为其质心至旋翼中心的距离，Ix、Iy、Iz为惯性主距，Ωi为第i个旋翼转速，Fi为第i个旋翼产生的升力，旋翼产生的升力与旋翼传动速度平方成正比，IR为转动惯量，n1为其升力系数，n2为反扭矩系数；为了把四旋翼飞行器的动力学方程转换成四个独立的控制通道,定义四旋翼飞行器的控制输入为U1U2U3U4=F1+F2+F3+F4F4-F2F3-F1F2+F4-F1-F3=n1Σi=14Ωi2n1(Ω42-Ω22)n1(Ω32-Ω12)n2(Ω12-Ω22+Ω32-Ω42)---(2)]]>S20：设计基于最优‑最差蚂蚁系统(BWAS)算法来优化PID控制参数，再由步骤S10中的四旋翼无人机的动力学方程转换成四个独立的控制通道，四个所述控制通道分别为高度BWAS‑PID、翻滚BWAS‑PID、俯仰BWAS‑PID、偏航BWAS‑PID；其中采用最优‑最差蚂蚁系统(BWAS)算法来优化PID控制参数包括以下过程S21:PID控制采用增量式数字PID控制，其表达式如式(3)：Δu(k)=Kp{[e(k)-e(k-1)]+TTie(k)+TdT[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}---(3)]]>式中Kp为比例系数，e(k)为本次偏差，Δu(k)对应的控制量为u(k)，T为采样周期，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，PID控制需要确定的参数分别为Kp、Ti和Td；S22:PID控制参数优化采用式(4)表示评价控制系统的性能指标：η=DT2Σi=1LPi|e(i)|---(4)]]>式中LP为仿真计算点数，DT为仿真计算步骤，则式子(4)连续形式表示为式(5)：η=∫0∞t|e(t)|dt---(5)]]>设蚂蚁总数为m，对于每一个蚂蚁，此时刻的点为i，其对应函数值为ηi，下一个可达的点j，对应函数值为ηj，则Δηij=ηi-ηj,∀i,j---(6)]]>蚂蚁会朝着信息素最多的方向移动，当没有信息素时，便会按照原来的运动方向移动，因此蚂蚁在t时刻处于i点时朝着j点移动的概率如式(7)：pij(t)=τijα(t)Δηijβ(t)Σl∈allowedτilα(t)Δηilβ(t),j∈allowed---(7)]]>式中，allowed为蚂蚁从地点i直接到达下一个路径点的集合，τ为信息素，τij是路径i到路径j的信息素含量，α为信息素的相对重要程度，若α＝0，最靠近i的地点j将有被选出；β为距离信息的相对重要程度，β＝0，蚂蚁只受到信息素的影响而忽略了启发式信息带来的偏向性；如果蚂蚁移动方向有障碍物时，则随机选择其他的方向，如果有信息素指引时，则按照其指引行动，寻优时蚂蚁的移动概率根据式(7)来确定，Δηij(t)＜0表示蚂蚁在自身所在地点i的邻域搜索，感知并且行动；Δηij(t)＞0表示蚂蚁按照移动概率从其自身所在地点i的邻域移动至j的邻域；经过n个时间单位之后，局部信息素更新策略按式(8)、(9)演变：τij(t+n)＝(1‑ρ)τij(t)+ρΔτij    (8)Δτij=Σk=1mΔτijk---(9)]]>式中ρ∈(0,1)是信息素挥发参数，Δτij为本次循环中在路径(i,j)上的信息素增量，为蚂蚁k在本次循环中在路径(i,j)上留下的信息素；当一次迭代结束之后，对于最差蚂蚁所经过的路径进行信息素更新，即为全局信息素更新如式(10)：τ(i,j)=(1-ρ)τ(i,j)-ϵLworstLbest---(10)]]>式中ε是引入的参数，Lworst和Lbest分别为当前循环中最差蚂蚁和最优蚂蚁的路径长度，τ(i,j)为在路径(i,j)上的信息素轨迹量；路径的构建：位于节点i的蚂蚁k在每次选择下一个路径前会产生一个随机数q，那么从节点i到节点j的移动规则p′按式(11)：p′=argmaxj∈allowed{[τij]α[ηij]β},q≤q0pij,q>q0---(11)]]>q是随机变量，均匀分布在区间[0，1]中，q0∈[0,1]；通过以上BWAS算法可以找到PID控制参数最优解。