專利名稱：一種基于gps的微小型四旋翼無人機(jī)速度狀態(tài)預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微小型四旋翼無人機(jī)建模及飛行控制、數(shù)據(jù)處理、觀測時滯和信息預(yù)測等技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
小型四旋翼無人機(jī)是一種可以實現(xiàn)垂直起降、懸停等動作的飛行器。四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。微型四旋翼無人機(jī)具有好的應(yīng)用前景:在軍事領(lǐng)域能夠執(zhí)行低空的偵察、監(jiān)視等任務(wù)；在民用領(lǐng)域能夠在地震、有輻射的環(huán)境中執(zhí)行搜索任務(wù)等。在巨大的應(yīng)用前景的驅(qū)動下，隨著微機(jī)械制造技術(shù)的成熟、微控制器處理能力的增強(qiáng)以及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，微小型四旋翼無人機(jī)逐漸發(fā)展成為一個國內(nèi)外的研究熱點。作為可垂直起降旋翼無人機(jī)的一員，微小型四旋翼無人機(jī)具有旋翼式無人機(jī)的特點，能夠出色地完成高靈活性飛行。此外，它還具有單旋翼無人機(jī)所不具備的優(yōu)點:
(I)由于其旋翼轉(zhuǎn)軸固定于機(jī)體，所以避免了單旋翼無人機(jī)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)；(2)微小型四旋翼無人機(jī)具有更多的驅(qū)動器。相比于同等尺寸的單旋翼無人機(jī)，能夠產(chǎn)生更大的升力，因而飛行速度更快；(3)微小型四旋翼無人機(jī)由于其自身機(jī)體結(jié)構(gòu)的特點，與微小型單旋翼無人機(jī)相比，其機(jī)動性更強(qiáng)，更適合于在建筑物內(nèi)部飛行，而且其旋翼尺寸更小，更安全。GPS是測量微小型四旋翼無人機(jī)的位置信息和速度信息的傳感器，該傳感器的測量數(shù)據(jù)存在一個I秒左右的延遲。該延遲時間可采用實驗方法辨識得到。控制系統(tǒng)中不可避免地存在著時滯現(xiàn)象，傳感器信號的采集和傳輸、控制器的計算、作動器的作動過程等，都會導(dǎo)致時滯的產(chǎn)生。以往人們?yōu)榱死碚摲治龊涂刂圃O(shè)計上的方便，總是忽略時滯，但即使是較小的時滯量也會導(dǎo)致控制效率的下降或控制系統(tǒng)失穩(wěn)。眾所周知，一個自動控制系統(tǒng)中的純滯后會使系統(tǒng)控制質(zhì)量明顯下降，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或系統(tǒng)無法工作。基于狀態(tài)估計可將時滯系統(tǒng)分為兩類:第一類是狀態(tài)方程中帶時滯的情況;第二類是觀測結(jié)果中帶有時滯的情況。這兩類情況的主要區(qū)別是，第一類情況的時滯現(xiàn)象可能是由系統(tǒng)固有時滯特性引起的，而第二類情況的時滯一般則是因為觀測傳感器本身的特性或者信號在傳輸過程中的時延引起的。在微小型四旋翼無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計中，GPS數(shù)據(jù)的延遲是一種觀測時滯。由于GPS的數(shù)據(jù)延遲時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于控制周期，因此該數(shù)據(jù)延遲對飛行控制系統(tǒng)設(shè)計有著比較嚴(yán)重的影響。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:為了克服GPS數(shù)據(jù)延遲(觀測時滯)對微小型四旋翼無人機(jī)飛行控制性能的不良影響，本發(fā)明提供了一種卡爾曼預(yù)測方法以改善該不良影響。
技術(shù)方案:一種基于GPS的微小型四旋翼無人機(jī)速度狀態(tài)預(yù)測方法，包括順次相接的如下步驟:1)對微小型四旋翼無人機(jī)飛行得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到GPS數(shù)據(jù)的延遲時間Td;2)使用MATLAB的ident工具擬合得到微小型四旋翼無人機(jī)的速度模型；3)依據(jù)采樣周期，對得到的速度模型進(jìn)行離散化處理，得到速度的離散化模型；4) t時刻的GPS數(shù)據(jù)所反映的速度狀態(tài)的真實時間為t-Td時刻，將信息融合時刻統(tǒng)一到t - Td時刻，即利用t時刻的GPS數(shù)據(jù)對t - Td時刻的速度狀態(tài)進(jìn)行組合濾波，得到t - Td時刻的速度狀態(tài)估計值；5)在t - Td時刻的速度狀態(tài)估計值的基礎(chǔ)上，利用卡爾曼多步預(yù)測方法得到t時刻的速度狀態(tài)預(yù)測值；速度控制器使用所得到的t時刻的速度狀態(tài)預(yù)測值進(jìn)行控制量的計為計算方便，步驟I)為對微小型四旋翼無人機(jī)飛行得到的機(jī)載加速度計的數(shù)據(jù)與機(jī)載GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，得到GPS數(shù)據(jù)的延遲時間Td。為了提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，在步驟2)中根據(jù)灰箱原理使用MATLAB的ident工具擬合得到速度模型。為了預(yù)測的簡化，同時確保預(yù)測的準(zhǔn)確性，在步驟2)線性化處理，得到沿y軸方向速度的動力學(xué)方程為:
權(quán)利要求
1.一種基于GPS的微小型四旋翼無人機(jī)速度狀態(tài)預(yù)測方法，其特征在于，包括順次相接的如下步驟: 1)對微小型四旋翼無人機(jī)的加速度計數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到GPS數(shù)據(jù)的延遲時間Td ； 2)使用MATLAB的ident工具擬合得到微小型四旋翼無人機(jī)的速度模型； 3)結(jié)合采樣周期，對得到的速度模型進(jìn)行離散化處理，得到速度的離散化模型； 4)t時刻的GPS數(shù)據(jù)所反映的速度狀態(tài)的真實時間為t-Td時刻，將信息融合時刻統(tǒng)一到t-Td時刻，即利用t時刻的GPS速度數(shù)據(jù)對t-Td時刻的微小型四旋翼無人機(jī)速度狀態(tài)進(jìn)行卡爾曼濾波，推算出t-Td時刻的速度狀態(tài)估計值； 5)在t-Td時刻的速度狀態(tài)估計值的基礎(chǔ)上，利用卡爾曼多步預(yù)測方法得到t時刻的速度狀態(tài)預(yù)測值；控制器使用所得到的t時刻的速度狀態(tài)預(yù)測值進(jìn)行控制量的計算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟I)中使微小型四旋翼無人機(jī)完成從靜止?fàn)顟B(tài)變化為加速度恒定狀態(tài)的運動過程，得到該運動過程中機(jī)載加速度計得到的加速度測量值與機(jī)載GPS得到的速度測量值，由于機(jī)載加速度計數(shù)據(jù)無延遲，將加速度測量值與速度測量值進(jìn)行比對，即將速度測量值從零值變?yōu)榉橇阒档臅r刻減去加速度測量值從零值變?yōu)榉橇阒档臅r刻，得到GPS數(shù)據(jù)的延遲時間Td。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:在步驟2)中根據(jù)灰箱原理使用MATLAB的ident工具擬合得到微小型四旋翼無人機(jī)的速度模型，微小型四旋翼無人機(jī)沿y軸方向速度的動力學(xué)方程為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:在步驟3)對采樣方式和保持方式作如下約定:采樣器的采樣方式為以常數(shù)T為周期的等間隔采樣；采樣周期T的選取滿足香農(nóng)采樣定理的條件；離散時間信號到連續(xù)時間信號的轉(zhuǎn)換采用零階保持方式；基于以上約定，結(jié)合微控制器處理能力，選取控制頻率為50Hz，將第2)步中擬合得到的速度模型離散化，得到速度的離散化模型:x(k+l)=0.9932.χ (k) +0.0028.u(k)y(k) =x(k-50) 其中，狀態(tài)量χ為微小型四旋翼無人機(jī)沿I軸方向的速度值，控制輸入u為微小型四旋翼無人機(jī)的橫滾角口，y表示GPS量測得到的微小型四旋翼無人機(jī)沿y軸方向的速度值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:在步驟4)中GPS量測得到的速度數(shù)據(jù)的延遲時間為Td，微小型四旋翼無人機(jī)的速度控制頻率為50Hz，將y(k)作為狀態(tài)χ (k-50)的觀測值，基于狀態(tài)χ (k - 51)的估計值進(jìn)行狀態(tài)一步預(yù)測，通過卡爾曼濾波得到狀態(tài)χ (k -50)的估計值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于:在步驟5)基于第4)步得到的狀態(tài)χ(k -50)的估計值，通過速度的離散化模型遞推得到狀態(tài)x(k)的預(yù)測值χ (k)，控制器使用所得到的t時刻的狀態(tài) 預(yù)測值χ (k)進(jìn)行控制量的計算。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于GPS的微小型四旋翼無人機(jī)速度狀態(tài)預(yù)測方法，包括如下步驟數(shù)據(jù)分析，得到GPS數(shù)據(jù)的延遲時間Td；使用MATLAB的ident工具擬合得到微小型四旋翼無人機(jī)的速度模型；對速度模型進(jìn)行離散化處理，得到速度的離散化模型；利用t時刻的GPS數(shù)據(jù)對t-Td時刻的速度狀態(tài)進(jìn)行組合濾波，得到t-Td時刻的速度狀態(tài)估計值；利用卡爾曼多步預(yù)測方法得到t時刻的速度狀態(tài)預(yù)測值；速度控制器使用所得到的t時刻的速度狀態(tài)預(yù)測值進(jìn)行控制量的計算。本發(fā)明提高了GPS數(shù)據(jù)的質(zhì)量，預(yù)測得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，對微小型四旋翼無人機(jī)飛行控制性能的提升具有積極的作用，具有十分重要的實用價值。
文檔編號G05B17/02GK103246203SQ20131014441
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月23日
發(fā)明者孫長銀, 王偉, 賀俊旺, 董大著, 沈才云, 徐洪菊 申請人:東南大學(xué)