【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)屬于pid控制優(yōu)化領(lǐng)域，尤其涉及一種無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行控制方法。
技術(shù)介紹
1、無(wú)人機(jī)是一種由遠(yuǎn)程控制或自主程序操控的飛行器，廣泛應(yīng)用于軍事、商業(yè)、科研及娛樂(lè)領(lǐng)域；無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器、電子調(diào)速器(esc)、無(wú)刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的姿態(tài)控制、導(dǎo)航和任務(wù)執(zhí)行；大多數(shù)現(xiàn)代無(wú)人機(jī)采用無(wú)刷直流電機(jī)(bldc)，搭配多旋翼結(jié)構(gòu)，以獲得穩(wěn)定的飛行能力；無(wú)人機(jī)的核心包括飛行控制器(fc)、gps導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、攝像頭和各種傳感器；通過(guò)地面控制站(gcs)，用戶可以遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行航拍、測(cè)繪、偵察、物流配送任務(wù)；自動(dòng)返航、定點(diǎn)懸停和路徑規(guī)劃是常見(jiàn)的智能功能；無(wú)人機(jī)因其靈活性、高效性和成本相對(duì)較低，已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安防和交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并且隨著技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)的使用場(chǎng)景和智能化程度將繼續(xù)擴(kuò)展。
2、pid(比例-積分-微分)控制是一種經(jīng)典的反饋控制算法，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和自動(dòng)化領(lǐng)域；pid控制通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的誤差(即期望值與實(shí)際值的差異)進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制輸出使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)狀態(tài)；在面對(duì)無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行的環(huán)境，pid控制的性能可能會(huì)受限，為了解決這一問(wèn)題，采用智能優(yōu)化算法對(duì)pid參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)整，不僅能有效找到最優(yōu)的參數(shù)值，還能顯著提升pid控制的性能和適用性。
3、蛇優(yōu)化算法(snake?optimizer,soa)是一種仿生啟發(fā)式算法，模擬蛇在復(fù)雜環(huán)境中尋找食物的行為；蛇優(yōu)化算法通過(guò)個(gè)體(蛇)的移動(dòng)與變形實(shí)現(xiàn)全局搜索和局部開(kāi)發(fā)，旨在解決全局優(yōu)化問(wèn)題；該算法分為“戰(zhàn)斗模式”和“開(kāi)發(fā)模式”，戰(zhàn)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于：通過(guò)改進(jìn)蛇優(yōu)化算法，提高算法在尋優(yōu)過(guò)程中前期的全局搜索能力和后期的局部搜索能力，減少陷入局部最優(yōu)的可能性從而提高算法的尋優(yōu)精度和響應(yīng)速度，通過(guò)改進(jìn)蛇優(yōu)化算法對(duì)無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度pid控制器控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高速度控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，減少參數(shù)整定過(guò)程中動(dòng)態(tài)誤差對(duì)控制效果產(chǎn)生的不良影響。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專(zhuān)利技術(shù)采用了一種無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行控制方法，具體步驟如下。
3、步驟一、將無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行控制問(wèn)題轉(zhuǎn)換成一個(gè)待優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。
4、步驟二、建立無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度控制系統(tǒng)的pid控制模型。
5、步驟三、改進(jìn)蛇優(yōu)化算法，具體改進(jìn)策略為：
6、d1、算法探索階段引入權(quán)重系數(shù)改進(jìn)蛇尋找食物時(shí)的位置更新表達(dá)式；
7、d2、算法開(kāi)發(fā)階段引入平衡因子平衡蛇處于戰(zhàn)斗模式和交配模式的概率，具體如下。
8、step1、在算法探索階段，引入權(quán)重系數(shù)w改進(jìn)蛇尋找食物時(shí)的位置更新表達(dá)式，改進(jìn)后的位置更新表達(dá)式為：
9、
10、
11、式中，xi，m(t+1)為第i只雄性蛇第t+1次迭代時(shí)的位置，xi，f(t+1)為第i只雌性蛇第t+1次迭代時(shí)的位置，xrand,m(t)、xrand，f(t)分別為隨機(jī)選擇的雄性蛇、雌性蛇的位置，am、af分別表示雄性蛇、雌性蛇找到食物的能力，w為權(quán)重系數(shù)，xmax為算法搜索上界，xmin為算法搜索下界，rand是0到1的隨機(jī)數(shù)，c2是常數(shù)，設(shè)置為0.05；
12、step2、在算法開(kāi)發(fā)階段，引入平衡因子平衡蛇處于戰(zhàn)斗模式和交配模式的概率，平衡因子表達(dá)式為：
13、
14、式中，η為權(quán)重系數(shù)，t為當(dāng)前迭代次數(shù)，t為最大迭代次數(shù)，n為算法種群規(guī)模，rand(n，1)表示取n到1之間的隨機(jī)數(shù)。
15、步驟四、利用改進(jìn)后的蛇優(yōu)化算法優(yōu)化無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度pid控制器，得到無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度pid控制器的最佳kp、ki、kd參數(shù)。
16、步驟五、將得到的最佳參數(shù)kp、ki、kd輸入到無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度控制系統(tǒng)的pid控制模型中，得到無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行控制的最佳效果。
17、優(yōu)選地，步驟一所述待優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為：
18、
19、式中，f(t)為系統(tǒng)輸出，e(t)為系統(tǒng)誤差輸入，t為當(dāng)前時(shí)間，t為系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間。
20、優(yōu)選地，步驟二所述無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度控制系統(tǒng)的pid控制模型包括輸入模塊、誤差計(jì)算模塊、速度pid控制器模塊、改進(jìn)蛇優(yōu)化算法模塊、速度檢測(cè)模塊、電機(jī)模塊；期望速度值從輸入模塊輸入，與速度檢測(cè)模塊檢測(cè)到的實(shí)際速度值一并輸入到誤差計(jì)算模塊做差得到速度誤差值，速度pid控制器接收速度誤差值，并應(yīng)用改進(jìn)蛇優(yōu)化算法模塊優(yōu)化后的pid參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到參考速度值，進(jìn)而控制電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度的控制。
21、優(yōu)選地，步驟三所述算法探索階段引入權(quán)重系數(shù)改進(jìn)蛇尋找食物時(shí)的位置更新表達(dá)式，在尋優(yōu)過(guò)程中，權(quán)重系數(shù)能幫助蛇在接近目標(biāo)解時(shí)優(yōu)化步長(zhǎng)和方向選擇，使得位置更新更加精確，從而加速算法的收斂速度，減少不必要的探索步驟。
22、優(yōu)選地，步驟三所述算法開(kāi)發(fā)階段引入平衡因子平衡蛇處于戰(zhàn)斗模式和交配模式的概率，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整平衡因子，可以根據(jù)問(wèn)題特性和尋優(yōu)階段適時(shí)切換兩種模式；這樣既保留了戰(zhàn)斗模式的快速全局搜索能力，又利用了交配模式的局部開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)了算法的適應(yīng)性與穩(wěn)定性。
23、優(yōu)選地，步驟四所述利用改進(jìn)后的蛇優(yōu)化算法優(yōu)化無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度pid控制器，具體步驟為：
24、s1、模擬無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度控制系統(tǒng)的工況，設(shè)計(jì)傳遞函數(shù)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；
25、s2、給定無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度控制系統(tǒng)的輸入，輸入即控制系統(tǒng)中電機(jī)的期望速度值；
26、s3、初始化改進(jìn)蛇優(yōu)化算法的種群規(guī)模n，問(wèn)題維度d，算法搜索上界xmax，算法搜索下界xmin，最大迭代次數(shù)t；
27、s4、將無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度pid控制器的參數(shù)kp、ki、kd編碼為改進(jìn)蛇優(yōu)化算法搜索空間的解，隨著算法的迭代進(jìn)行，更新的種群個(gè)體位置即反映出相應(yīng)的無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度pid控制器的參數(shù)；
28、s5、根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算當(dāng)前迭代種群個(gè)體適應(yīng)度值，將最小適應(yīng)度值記錄下來(lái)，并與上次迭代的種群最優(yōu)適應(yīng)度值比較，保留最優(yōu)適應(yīng)度值；
29、s6、模擬改進(jìn)蛇優(yōu)化算法各階段的尋優(yōu)過(guò)程，即更新無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度pid控制器的kp、ki、kd參數(shù)；
30、s7、若更新后的種群個(gè)體比上一次迭代更新的更優(yōu)，則保留當(dāng)前最優(yōu)解；
31、s8、判斷當(dāng)前迭代次數(shù)是否達(dá)到最大迭代次數(shù)，若達(dá)到，則退出循環(huán)，輸出全局最優(yōu)解，并分配給無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度pid控制器作為kp、ki、kd三個(gè)參數(shù)，否則返回執(zhí)行s2。
32、優(yōu)選地，所述s1模擬無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度控制系統(tǒng)的工況，設(shè)計(jì)傳遞函數(shù)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，傳遞函數(shù)公式為：
33、本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行控制方法，其特征在于，具體步驟為：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行控制方法，其特征在于，所述步驟二中，建立無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度控制系統(tǒng)的PID控制模型，模型包括輸入模塊、誤差計(jì)算模塊、速度PID控制器模塊、改進(jìn)蛇優(yōu)化算法模塊、速度檢測(cè)模塊、電機(jī)模塊；期望速度值從輸入模塊輸入，與速度檢測(cè)模塊檢測(cè)到的實(shí)際速度值一并輸入到誤差計(jì)算模塊做差得到速度誤差值，速度PID控制器接收速度誤差值，并應(yīng)用改進(jìn)蛇優(yōu)化算法模塊優(yōu)化后的PID參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到參考速度值，進(jìn)而控制電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度的控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行控制方法，其特征在于，所述步驟三中，改進(jìn)蛇優(yōu)化算法的具體步驟為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行控制方法，其特征在于，所述步驟四中，利用改進(jìn)后的蛇優(yōu)化算法優(yōu)化無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度PID控制器，具體步驟為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行控制方法，其特征在于，模擬改進(jìn)蛇優(yōu)化算法各階段的尋優(yōu)過(guò)程，具體步驟為：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行控制方法，其特征在于，具體步驟為：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行控制方法，其特征在于，所述步驟二中，建立無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行速度控制系統(tǒng)的pid控制模型，模型包括輸入模塊、誤差計(jì)算模塊、速度pid控制器模塊、改進(jìn)蛇優(yōu)化算法模塊、速度檢測(cè)模塊、電機(jī)模塊；期望速度值從輸入模塊輸入，與速度檢測(cè)模塊檢測(cè)到的實(shí)際速度值一并輸入到誤差計(jì)算模塊做差得到速度誤差值，速度pid控制器接收速度誤差值，并應(yīng)用改進(jìn)蛇優(yōu)化算法模塊優(yōu)化后的pid參數(shù)進(jìn)行計(jì)算...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：謝忠，王日照，徐志鵬，武軍，楊方，石迅，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：徐州新電高科電氣有限公司，
類(lèi)型：發(fā)明
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