本發明專利技術涉及無人機控制技術領域，尤其涉及一種水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，包括以下步驟：基于所述四軸八旋翼無人機構建無人機運動數學模型；基于所述無人機運動數學模型構建用于所述四軸八旋翼無人機的預測控制的代價函數；根據所述四軸八旋翼無人機在空間坐標系中的軸的扭矩或軸水阻力構建LESO擴張觀測器；通過所述四軸八旋翼無人機的傳感器獲取運行狀態，并確定用于所述四軸八旋翼無人機的各個旋翼電機的動力分配模式；根據所述動力分配模式、所述LESO擴張觀測器對所述代價函數進行求解，得到用于所述四軸八旋翼無人機的各個旋翼電機的控制結果。本發明專利技術使水空兩棲無人機的運行姿態得到優化，運行性能更加高效。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及無人機控制，尤其涉及一種水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法。
技術介紹
1、近些年來，隨著信息和制造業技術的快速發展，市場上涌現出了種類繁多、場景豐富的多旋翼無人機。在水空作業中，人們開始逐漸開始使用潛航器、無人機等設備進行工作，這在很大程度上減輕了勞動力、降低成本，降低了作業的風險。然而，在水空無人機領域，現有的設計大多都是采用與空中無人機相同的方法進行控制，導致水空無人機運動效率低下，電熱，市場上也有采用兩套電機的方案進行水空運動切換，但這樣的設計使無人機徒增重量，還會降低無人機續航時間。
2、在無人機的控制領域，大多數控制采用的方法都是幾何控制、pid控制等，水下無人機的控制也沒有考慮到水阻對機體運動產生的影響。在無人機動力分配方面，大多采用混控矩陣的方法進行分配，但對于執行器過多且需要優化的無人機來說該方法并不適用。
技術實現思路
1、本專利技術旨在解決現有無人機控制方法不適用于水空兩棲使用場景的技術問題。
2、為解決上述技術問題，本專利技術提供一種水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，所述水空兩棲無人機為四軸八旋翼無人機，所述非線性模型預測控制方法包括以下步驟：
3、基于所述四軸八旋翼無人機構建無人機運動數學模型；
4、基于所述無人機運動數學模型構建用于所述四軸八旋翼無人機的預測控制的代價函數；
5、根據所述四軸八旋翼無人機在空間坐標系中的軸的扭矩或軸水阻力構建leso擴張觀測器；
>6、通過所述四軸八旋翼無人機的傳感器獲取運行狀態，并確定用于所述四軸八旋翼無人機的各個旋翼電機的動力分配模式；7、根據所述動力分配模式、所述leso擴張觀測器對所述代價函數進行求解，得到用于所述四軸八旋翼無人機的各個旋翼電機的控制結果。
8、更進一步地，所述無人機運動數學模型滿足以下關系式：
9、
10、其中，表示所述四軸八旋翼無人機在空間坐標系下的位置，表示所述四軸八旋翼無人機在空間坐標系下的速度；
11、φ1表示三個歐拉角，φ2表示繞機體三軸的角速度；
12、t表示總推力，ρw/a表示水體或空氣的密度，v表示排水量，m表示質量，g表示重力加速度，fd表示水阻或風阻；
13、j表示慣性矩陣，γ為表示所述四軸八旋翼無人機的旋翼電機在對應軸上產生的力矩，γd表示水阻產生的扭矩。
14、更進一步地，所述代價函數滿足以下關系式：
15、
16、st.xi+1＝f(xi，ui)i＝k，k+1，…，k+n-1；
17、
18、其中，k表示當前時間步長，n表示預測范圍內采樣時間步的數量，xk:k+n表示預測的狀態軌跡，q、qn和r均表示正定權重矩陣，uk:k+n表示預測的系統輸入，u表示輸出下界，表示輸出上界。
19、更進一步地，定義所述四軸八旋翼無人機在空間坐標系中的x軸的轉動慣量為i11、系統輸入為τx，則所述四軸八旋翼無人機在空間坐標系中的x軸上的所述leso擴張觀測器滿足以下關系式：
20、
21、其中，z1、z2表示的是狀態的估計值，β1、β2表示的是觀測增益。
22、更進一步地，所述四軸八旋翼無人機在空間坐標系中的x軸上的所述leso擴張觀測器具有滿足以下關系式的觀測誤差：
23、
24、其中，h＝τdx，τdx表示阻力作用在機體在x軸的分量。
25、更進一步地，所述運行狀態包括空中飛行、水中運行，所述動力分配模式包括空中動力分配模式和水中動力分配模式，其中，所述空中動力分配模式基于混控矩陣進行動力分配；
26、所述水中動力分配模式基于以下關系式進行動力分配：
27、
28、其中，f1…f8分別表示所述四軸八旋翼無人機的八個旋翼電機的輸出推力，t1、t2分別表示輸出總推力在空間坐標系的z軸和x軸的分量，α，β分別表示以所述四軸八旋翼無人機行進方向為前向時的左右舵機的傾轉角度，l表示軸距，k表示反扭系數。
29、更進一步地，所述水中動力分配模式的動力分配中，所述四軸八旋翼無人機的八個旋翼電機的總輸出推力f與槳葉旋轉角速度ω滿足以下關系式：
30、f＝cω2；
31、其中，c表示動力系數。
32、更進一步地，所述水中動力分配模式的動力分配具有以下約束：
33、α·β＝0；
34、
35、更進一步地，根據所述動力分配模式、所述leso擴張觀測器對所述代價函數進行求解的步驟，具體為：
36、根據所述水中動力分配模式的動力分配表達式，對時間t求微分，得到滿足以下關系式的系統狀態方程：
37、
38、令旋翼電機角度變化律為常值，即旋翼電機的速度變化律為d，基于所述leso擴張觀測器獲取每一旋翼電機的轉速，并根據轉速對時間求導，得到所述速度變化律d；
39、結合所述速度變化律d和所述代價函數計算得到所述四軸八旋翼無人機的各個旋翼電機的輸出轉速和旋轉角度作為所述控制結果。
40、本專利技術所達到的有益效果，在于提出了一種針對水空兩棲類的四軸八旋翼無人機的非線性控制方法，該方法針對水空兩棲多軸多電機的無人機的構型進行建模，設計模型預測算法進行位置和姿態的控制，并在建模求解時考慮到水阻和風阻的影響，設計leso擴張狀態觀測器對擾動進行觀測并進行前饋控制；同時，根據水下運行設計了對應的動力分配方法，使得基于該方法進行控制的水空兩棲無人機的運行姿態得到優化，運行性能更加高效。
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【技術保護點】
1.一種水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，所述水空兩棲無人機為四軸八旋翼無人機，其特征在于，所述非線性模型預測控制方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，其特征在于，所述無人機運動數學模型滿足以下關系式：
3.根據權利要求2所述的水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，其特征在于，所述代價函數滿足以下關系式：
4.根據權利要求3所述的水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，其特征在于，定義所述四軸八旋翼無人機在空間坐標系中的x軸的轉動慣量為I11、系統輸入為τx，則所述四軸八旋翼無人機在空間坐標系中的x軸上的所述LESO擴張觀測器滿足以下關系式：
5.根據權利要求4所述的水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，其特征在于，所述四軸八旋翼無人機在空間坐標系中的x軸上的所述LESO擴張觀測器具有滿足以下關系式的觀測誤差：
6.根據權利要求4所述的水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，其特征在于，所述運行狀態包括空中飛行、水中運行，所述動力分配模式包括空中動力分配模式和水中動力分配模式，其中，所述空中動力分配模式基于混控矩陣進行動力分配；
7.根據權利要求6所述的水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，其特征在于，所述水中動力分配模式的動力分配中，所述四軸八旋翼無人機的八個旋翼電機的總輸出推力f與槳葉旋轉角速度ω滿足以下關系式：
8.根據權利要求6所述的水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，其特征在于，所述水中動力分配模式的動力分配具有以下約束：
9.根據權利要求6所述的水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，其特征在于，根據所述動力分配模式、所述LESO擴張觀測器對所述代價函數進行求解的步驟，具體為：
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【技術特征摘要】
1.一種水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，所述水空兩棲無人機為四軸八旋翼無人機，其特征在于，所述非線性模型預測控制方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，其特征在于，所述無人機運動數學模型滿足以下關系式：
3.根據權利要求2所述的水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，其特征在于，所述代價函數滿足以下關系式：
4.根據權利要求3所述的水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，其特征在于，定義所述四軸八旋翼無人機在空間坐標系中的x軸的轉動慣量為i11、系統輸入為τx，則所述四軸八旋翼無人機在空間坐標系中的x軸上的所述leso擴張觀測器滿足以下關系式：
5.根據權利要求4所述的水空兩棲無人機的非線性模型預測控制方法，其特征在于，所述四軸八旋翼無人機在空間坐標系中的x軸上的所述leso擴...
【專利技術屬性】
技術研發人員：趙曜，張澤琦，徐雍，呂偉俊，周宇媚，李梓甜，張天洋，
申請(專利權)人：廣東工業大學，
類型：發明
國別省市：
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