一种基于多级模型预测控制的扑翼飞行器控制框架搭建方法

本发明涉及扑翼飞行器控制，具体涉及种基于多级模型预测控制的扑翼飞行器控制框架搭建方法。

背景技术：

1、近年来，力学与仿生学的交叉逐渐成为研究热点。在飞行器设计领域，由于飞行生物在低雷诺数下有着极佳的气动性能与机动性，仿鸟与仿昆虫的微型扑翼飞行器受到大量关注。其应用场景多元，在军用与民用多个方面均有着良好发展前景，能够完成低空侦查、隐蔽性探测与森林防火等任务。但由于微型扑翼飞行器质量较轻，且工作环境、机体运动与翅翼运动均较为复杂，因此控制系统中的输入量与输出量耦合关系复杂且数量较大，对其控制系统提出了更高要求。

2、传统的pid控制、模糊控制与自适应逆控制等控制方法存在如下缺陷：1、易出现非线性与非定常问题；2、控制效率低且不稳定；3、参数的选取对控制的影响较大。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于多级模型预测控制的扑翼飞行器控制框架搭建方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于多级模型预测控制的扑翼飞行器控制框架搭建方法，包括如下步骤：

3、步骤一、计算扑翼飞行器不同运动状态下的二维扑翼的瞬时气动力，并通过二维扑翼的瞬时气动力预测扑翼飞行器不同运动状态下的气动力，并形成准稳态模型；

4、步骤二、通过扑翼飞行器不同运动状态下的气动力计算扑翼飞行器速度与姿态，并形成动力学模块；

5、步骤三、构造损失函数并进行控制量变化量优化后构建预测模型；

6、步骤四、通过预测模型、准稳态模型对扑翼飞行器所受气动力与力矩进行多级优化后获得真实的控制量，并形成优化模块；

7、步骤五、通过准稳态模型、动力学模块、预测模型和优化模块搭建扑翼飞行器控制框架。

8、进一步地，所述通过二维扑翼的瞬时气动力预测扑翼飞行器不同运动状态下的气动力的具体方法为：对二维扑翼的瞬时气动力利用叶素法获得三维扑翼的瞬时气动力，通过三维扑翼的瞬时气动力获得对应的扑翼飞行器不同运动状态下的气动力。

9、进一步地，所述二维扑翼的瞬时气动力的计算公式如下：

10、l＝0.5×ρ×u2×c×cl(αe)

11、d＝0.5×ρ×u2×c×cd(αe)

12、式中，l为升力，d为阻力，ρ为流体密度，u为扑翼与流体的相对速度，c为翼型弦长，cl(αe)为升力系数，cd(αe)为与阻力系数；

13、其中cl(αe)和cd(αe)为以有效攻角αe为自变量的函数，表达式如下：

14、cd(αe)＝cdamx·sin2(αe)+cd0

15、cl(αe)＝clamx·sin(2·αe)

16、式中cdamx、cd0与clamx均为经验系数。

17、进一步地，所述通过扑翼飞行器不同运动状态下的气动力计算扑翼飞行器速度与姿态的具体方法为：

18、s1、采用动力学方程，并在每一时刻对动力学方程进行离散，得到离散系统的状态空间表达式，其中动力学方程如下：

19、

20、ω＝i-1(-ω×iω+maero)

21、式中，m为质量，v为机体坐标系下的三个方向的平动速度[u，v，w]t，ω为机体坐标系下三个方向的转动角速度[p，q，r]t，faero为机体坐标系下三个方向的气动力，maero为机体下三个方向的气动力矩，f为扑翼飞行器所受外力，i为扑翼飞行器的惯性张量；

22、离散系统的状态空间表达式，如下：

23、

24、

25、式中，k为当前时刻，为状态量，包括平动速度、角速度以及姿态角，为输出量，u为控制量；

26、s2、将扑翼飞行器不同运动状态下的气动力代入基于离散系统的状态空间表达式，计算得到扑翼飞行器速度与姿态，并获得状态矩阵a与输入矩阵b，而根据所选取的输出量，则可以获得输出矩阵c，前馈矩阵d为零矩阵。

27、进一步地，所述造损失函数并进行控制量变化量优化的具体方法如下：

28、s1、在设定范围内，通过扑翼飞行的速度与姿态构造不同的损失函数的构造公式如下：

29、

30、式中ρ∈与ε为软约束相关参数，u与y分别为控制范围内的控制量矩阵与输出量矩阵，utarget与r分别为对应的控制量与输出量的参考值矩阵，δu为控制量变化量矩阵，上述矩阵大小均为p×1，wu，w与wδu分别为控制量、输出量与控制量变化量的权重系数所构造的对角阵，输出量可转化为以控制量变化量为变量的形式：

31、

32、式中i为预测范围内的第i时刻，预测范围内的控制量也可转化为初始控制量与控制量变化量累加的形式：

33、

34、进一步地，所述通过预测模型、准稳态模型对扑翼飞行器所受气动力与力矩进行多级优化后获得真实的控制量的具体方法如下：

35、将扑翼飞行器所受气动力与力矩通过引入预测模型获取最优的气动力与力矩，然后最优的气动力与力矩引入准稳态模型进行优化后获得真实的控制量，并通过准稳态模型与动力学模块获取扑翼飞行器下一时刻的状态量。

36、由上述技术方案可知，本发明具有如下有益效果：

37、将非定常准稳态模型与动力学方程解耦，引入虚拟控制量，将复杂问题分解为两个子问题进行多级优化，有效减少仿真时间；利用多级模型预测控制框架高效且稳定地对扑翼飞行器进行速度跟踪控制。

技术特征：

1.一种基于多级模型预测控制的扑翼飞行器控制框架搭建方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于多级模型预测控制的扑翼飞行器控制框架搭建方法，其特征在于，所述通过二维扑翼的瞬时气动力预测扑翼飞行器不同运动状态下的气动力的具体方法为：对二维扑翼的瞬时气动力利用叶素法获得三维扑翼的瞬时气动力，通过三维扑翼的瞬时气动力获得对应的扑翼飞行器不同运动状态下的气动力。

3.根据权利要求1所述的一种基于多级模型预测控制的扑翼飞行器控制框架搭建方法，其特征在于：所述二维扑翼的瞬时气动力的计算公式如下：

4.根据权利要求1所述的一种基于多级模型预测控制的扑翼飞行器控制框架搭建方法，其特征在于：所述通过扑翼飞行器不同运动状态下的气动力计算扑翼飞行器速度与姿态的具体方法为：

5.根据权利要求1所述的一种基于多级模型预测控制的扑翼飞行器控制框架搭建方法，其特征在于：所述造损失函数并进行控制量变化量优化的具体方法如下：

6.根据权利要求1所述的一种基于多级模型预测控制的扑翼飞行器控制框架搭建方法，其特征在于：所述通过预测模型、准稳态模型对扑翼飞行器所受气动力与力矩进行多级优化后获得真实的控制量的具体方法如下：

技术总结
本发明公开了一种基于多级模型预测控制的扑翼飞行器控制框架搭建方法，包括计算扑翼飞行器不同运动状态下的二维扑翼的瞬时气动力，通过二维扑翼的瞬时气动力预测扑翼飞行器不同运动状态下的气动力，形成准稳态模型；通过扑翼飞行器不同运动状态下的气动力计算扑翼飞行器速度与姿态，并形成动力学模块；构造损失函数并进行控制量变化量优化后构建预测模型；通过预测模型、准稳态模型对扑翼飞行器所受气动力与力矩进行多级优化后获得真实的控制量，并形成优化模块；搭建扑翼飞行器控制框架。该基于多级模型预测控制的扑翼飞行器控制方法将准稳态模型与动力学方程解耦，引入虚拟控制量，将复杂问题分解为两个子问题进行多级优化，有效减少仿真时间。

技术研发人员：郑鸿宇,王翔,张书琴,刘颖,杨宁,江炜
受保护的技术使用者：常州工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14