✅作者简介热爱科研的Matlab仿真开发者擅长毕业设计辅导、数学建模、数据处理、建模仿真、程序设计、完整代码获取、论文复现及科研仿真。 往期回顾关注个人主页Matlab科研工作室 关注我领取海量matlab电子书和数学建模资料个人信条格物致知,完整Matlab代码获取及仿真咨询内容私信。 内容介绍一、引言在低空飞行器的控制领域精确的轨迹跟踪至关重要。然而实际飞行过程中飞行器面临参数不确定性如质量和惯性的变化以及外部干扰如风力影响的挑战。模型预测控制MPC及其扩展自适应非线性模型预测控制Adaptive NMPC为解决这些问题提供了有效途径。本文将深入探讨如何基于自适应 NMPC 与 MPC 实现针对参数不确定性和外部干扰的低空飞行器 3D 轨迹跟踪并进行鲁棒性分析。二、模型预测控制MPC基础一MPC 原理MPC 基于飞行器的动态模型通过预测系统未来的状态在每个采样时刻求解一个有限时域的优化问题。优化目标通常是最小化飞行器实际轨迹与期望 3D 轨迹之间的偏差同时考虑控制输入的约束如最大推力、最大转角等。在每个采样时刻只将优化问题得到的第一个控制输入作用于飞行器然后在下一个采样时刻基于新的测量状态重新求解优化问题从而实现滚动时域控制。三、自适应非线性模型预测控制Adaptive NMPC一自适应机制参数估计为应对飞行器质量和惯性等参数的不确定性Adaptive NMPC 引入在线参数估计方法。例如利用扩展卡尔曼滤波器EKF或无迹卡尔曼滤波器UKF根据飞行器的测量状态如加速度、角速度等实时估计质量和惯性参数。以 EKF 为例通过将参数作为增广状态在预测和更新步骤中同时估计系统状态和参数。模型更新根据估计得到的参数实时更新飞行器的动力学模型。这样Adaptive NMPC 能够适应参数的变化提高轨迹跟踪的准确性。二Adaptive NMPC 算法流程初始化设定初始参数估计值、滤波器参数、预测时域、控制时域等。同时获取飞行器的初始状态和期望轨迹。参数估计利用测量得到的飞行器状态信息通过 EKF 或 UKF 估计质量和惯性等不确定参数。模型更新根据估计得到的参数更新飞行器的动力学模型。优化求解基于更新后的模型求解与 MPC 类似的优化问题得到当前时刻的最优控制输入。控制执行将最优控制输入作用于飞行器获取新的测量状态。循环迭代重复步骤 2 - 5实现对飞行器的实时控制和轨迹跟踪。四、应对外部干扰风⛳️ 运行结果 部分代码function Xref spiralTrajectory(T, Ts, radius, height, turns, p0, q0)t 0:Ts:T; % Vector of timesN numel(t);tau t/T; % Normalization of time% arc lengths 10*tau.^3-15*tau.^46*tau.^5;s_dot (30*tau.^2-60*tau.^330*tau.^4)/T;% angle referencetheta 2*pi*turns*s;theta_dot 2*pi*turns*s_dot;% position reference ...x_local radius*cos(theta)-radius;y_local radius*sin(theta);z_local height*s;% ... respect to the initial positionx p0(1) x_local;y p0(2) y_local;z p0(3) z_local;pos [x; y; z];% linear velocity referencevx_local -radius*sin(theta).*theta_dot;vy_local radius*cos(theta).*theta_dot;vz_local height*s_dot;vel [vx_local; vy_local; vz_local];% yaw reference ...yaw_local theta pi/2;% ... respect to inital orientationeul0 quat2eul(q0., ZYX);yaw0 eul0(1);delta yaw0 - yaw_local(1);yaw yaw_local delta;% pitch and roll referencespitch zeros(1, N);roll zeros(1, N);% quaternion constructioncy cos(yaw/2); sy sin(yaw/2);cp cos(pitch/2); sp sin(pitch/2);cr cos(roll/2); sr sin(roll/2);qw cr.*cp.*cy sr.*sp.*sy;qx sr.*cp.*cy - cr.*sp.*sy;qy cr.*sp.*cy sr.*cp.*sy;qz cr.*cp.*sy - sr.*sp.*cy;q [qw; qx; qy; qz];% angular velocity referenceyaw_dot theta_dot;angvel [zeros(1,N); zeros(1,N); yaw_dot];% Final trajectoryXref [pos; q; vel; angvel];end 参考文献往期回顾扫扫下方二维码
