四旋翼飞行器(UAV)的 MPC 控制器设计:跟随圆形轨迹的模型预测控制
一、引言
随着无人机技术的不断发展,四旋翼飞行器在军事、民用等领域的应用越来越广泛。为了实现四旋翼
飞行器在特定条件下的精确控制,如跟随圆形轨迹等任务,模型预测控制(MPC)技术被广泛地应用
于无人机控制系统中。本文将针对四旋翼飞行器在保持 0 航向的情况下,以 0.1 rad sec 的角速度
在 5 米高度跟踪圆形轨迹的 MPC 控制器设计进行详细的分析和讨论。
二、四旋翼飞行器的基本原理
四旋翼飞行器是一种具有四个旋翼的飞行器,通过调整四个旋翼的转速,可以实现飞行器的升降、前
进、后退、左转、右转等动作。了解四旋翼飞行器的基本原理和运动学模型,是进行 MPC 控制器设计
的基础。
三、模型预测控制(MPC)概述
模型预测控制是一种基于模型的优化控制算法,它通过建立被控对象的数学模型,预测未来时刻的状
态,并选择最优的控制序列,使被控对象按照预期的轨迹运动。MPC 控制器具有预测精度高、鲁棒性
强等优点,适用于四旋翼飞行器的控制。
四、MPC 控制器设计
针对四旋翼飞行器在保持 0 航向的情况下,以 0.1 rad sec 的角速度在 5 米高度跟踪圆形轨迹的任
务,我们设计如下 MPC 控制器:
1. 建立四旋翼飞行器的动力学模型。根据四旋翼飞行器的运动学原理和机械结构,建立其动力学模
型,包括位置、速度、加速度等状态量的数学描述。
2. 设计预测模型。根据四旋翼飞行器的动力学模型,设计预测模型,用于预测未来时刻的状态。预
测模型应具有足够的精度和鲁棒性,能够准确反映四旋翼飞行器的动态特性。
3. 确定优化目标和约束条件。根据任务需求,确定 MPC 控制器的优化目标和约束条件。在本例中
,优化目标为使四旋翼飞行器能够精确地跟踪圆形轨迹,约束条件包括角速度、位置等。
4. 求解优化问题。通过求解优化问题,得到最优的控制序列。在本例中,通过调整四个旋翼的转速
,实现四旋翼飞行器以 0.1 rad sec 的角速度在 5 米高度跟踪圆形轨迹。
5. 实现控制器。将求解得到的控制序列应用于四旋翼飞行器,实现精确的控制。
五、结论