内外双层控制器,让无人机在未知环境下的目标跟踪更出色

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该研究为了解决四旋翼飞行器在未知和不均匀环境中对移动地面目标的跟踪问题,设计了一种分层预测控制器。该控制器有内部和外部预测控制器两层。在控制器的下层,设计了一个能够拒绝扰动并快速跟踪参考路径的约束预测控制器,在外环中,设计了一个模型预测控制器,对移动的地面目标进行优化检测,其中,定义了子成本函数,使四旋翼飞行机器人即使暂时离开飞行机器人的视线,也能跟踪移动的地面目标,以及在突然改变方向和不均匀路径的情况下,也能跟踪移动的地面目标。在这种方法中,由于不需要在不同的控制器之间进行切换,也不用对目标进行妄想操纵,所以总的控制工作量减少了。本文以“Designing a hierarchical model-predictive controller for tracking an unknown ground moving target using a 6-DOF quad-rotor”为题于2020年10月23日发布于《International Journal of Dynamics and Control》杂志上。

内外双层控制器,让无人机在未知环境下的目标跟踪更出色


研究背景与实验


飞行设备一般分为两大类:载人和无人驾驶。无人驾驶飞行器通常用于载人飞行器无法或经济上不可行或具有重大风险的应用。


四旋翼飞行器是一种六自由度的无人驾驶飞行器,可以垂直飞行并执行复杂的机动。具有承载能力强、结构简单、机动性强、机动性约束低、维修费用低等特点。四旋翼飞行器具有承载能力强、结构简单、机动性强、机动性约束低、维护费用低等特点.该装置的潜在用途包括边境检查、探测任务、摄影、搜索行动、检查和检查石油和高压输电线路、探测火灾、在危险和无法进入的环境中使用。


MPC是为四旋翼飞行器的平动和旋转动力学而设计的.提出的MPC结构如图所示。其中所产生的预定义的参考路径由MPC翻译子系统跟踪。然后,由于MPC旋转子系统跟踪参考辊和螺距,使四旋翼飞行器稳定,由翻译子系统生成。


内外双层控制器,让无人机在未知环境下的目标跟踪更出色

图为四旋翼飞行器控制结构


控制器分为内环和外环控制器,内环控制器又有平移动力学的预测控制器,旋转动力学预测控制器,外环控制器为模型预测控制器。


由于四旋翼飞行器转动方程的动力学比平动方程快,因此假定了平动和旋转动力学的采样周期。

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图为基于逆运动学的基准路径跟踪控制器

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图为四旋翼飞行器的视野及其半径

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图为四旋翼飞行器在路径跟踪中的性能

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参数(X)存在永久扰动的四旋翼飞行器t=10秒

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参数(Y)存在永久扰动的四旋翼飞行器t=10秒

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参数(Z)存在永久扰动的四旋翼飞行器t=10秒

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参数(Phi)存在永久扰动的四旋翼飞行器t=10秒

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参数(Theta)存在永久扰动的四旋翼飞行器t=10秒

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参数(PSI)存在永久扰动的四旋翼飞行器t=10秒


根据上面数据图,可以看出与先前引入的基准控制器相比,所提出的内环控制器具有更好的跟踪和干扰抑制作用。


在旨在评估外部控制回路性能的场景开始时,四旋翼飞行器检测移动地面目标并开始跟踪它。

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四旋翼飞行器感知半径

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四旋翼飞行器与地面目标距离


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地面运动目标跟踪的二维表示

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地面运动目标跟踪的三维表示

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变型(X)地面运动目标跟踪

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变型(Y)地面运动目标跟踪

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变型(Z)地面运动目标跟踪


在模型预测控制器设计的过程中,可以更好地跟踪地面移动目标,而不参与它的欺骗性运动。


实验结论


该研究针对四旋翼飞行器在未知和不均匀环境下对移动地面目标的跟踪问题,设计了一种分层预测控制器。该控制器有内环和外环两个层次的预测控制器。在内循环中,设计了一个能够拒绝扰动、快速跟踪参考路径的约束式预测控制器。


在大多数的前人研究中,稳定性问题被假定为是预先解决的。在外环中,设计了一个模型预测控制器来优化检测移动的地面目标。在这一控制层次上,定义了一些有效的子成本函数,使四旋翼飞行器即使暂时离开飞行机器人的视线,也能在突然改变方向和不均匀路径的情况下追寻移动的地面目标。不需要切换是该控制器的特点之一。其他特点还包括不必对地面目标进行妄想操纵,减少与之相关的控制力度,这一点在仿真中表现为四旋翼机器人的冷漠反应和路径缩短。


此外,在控制器设计中仿真结果表明,与基准控制器相比,所提出的分层控制器在跟踪移动地面目标的能力。以往的研究大多是在二维环境下对地面目标进行跟踪,但由于所设计的控制器可以使四旋翼飞机在粗糙和三维环境下对地面目标进行检测,因此在今后的研究中,所提出的方法可以方便地用于跟踪空中移动目标。


参考文献:Saeed Khankalantary, Pouya Badri & Hassan Mohammadkhani Designing a hierarchical model-predictive controller for tracking an unknown ground moving target using a 6-DOF quad-rotor  International Journal of Dynamics and Control (2020)

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