基于ROS平台的六旋翼无人机MPC控制方法技术

本发明专利技术公开的一种基于ROS平台的六旋翼无人机MPC控制方法，属于无人机智能控制领域。本发明专利技术建立了六旋翼无人机的动力学模型，通过将模型线性化处理，解决了六旋翼无人机模型高度非线性、强耦合的问题，大大简化了控制目标；采用模型预测控制方法设计出了无人机单级控制器，控制结构采用闭环控制方法，实现对无人机位置和姿态的控制，突破了传统无人机需要级联两级控制器的桎梏。具有自主性强，跟踪精准，稳定性高，成本低等优点，可应用于无人机电力线路巡检等领域。

【技术实现步骤摘要】
基于ROS平台的六旋翼无人机MPC控制方法
本专利技术属于无人机智能控制领域，尤其涉及一种基于ROS平台的六旋翼无人机MPC控制方法。具体涉及一种基于模型预测控制(modelpredictioncontrol，MPC)和机器人操作系统(robotoperatingsystem，ROS))进行六旋翼无人机轨迹跟踪控制的方法。
技术介绍
随着电力基础设施的完善和普及，为了确保电力系统的稳定运行，有必要对电力线路进行巡检。而电力线路所在位置往往是崇山峻岭，环境恶劣，威胁电力工作人员的生命健康。因此，采用无人机进行安全有效的电力巡检至关重要。与多旋翼系统相比，固定翼飞机更适合监视以及大规模的测绘任务，因为它们具有更长的续航能力和更高的速度，而对于需要靠近结构飞行以获得详细信息的检查任务，多旋翼无人机更合适。但是目前传统的多旋翼无人机电力巡检需要人工遥控、依赖操作人员的技术和经验，缺乏自主性，人工控制精度低且成本高。这在一定程度上影响了电力巡检的有效性，存在漏检等问题。除此之外为解决无人机位置量和姿态角强耦合的问题，传统的无人机控制方法均是位置控本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n步骤一：建立动力学模型；/n步骤二：求取参考轨迹；/n步骤三：模型线性化；/n步骤四：模型预测；/n步骤五：滚动优化；/n步骤六：反馈校正。/n

【技术特征摘要】
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，ωi(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，Ix、Iy和Iz分别是无人机x轴、y轴、z轴的转动惯量；Mx、My和Mz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，ωi(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Mx、My和Mz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qr(t)以及参考控制输入ur(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)-qr(t)，A(t)和B(t)分别是函数f(q(t),u(t))相对于q(t)和u...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵云峰，范静，邹苏郦，张涵羽，范益民，马中静，
申请(专利权)人：国网山西省电力公司吕梁供电公司，北京理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14