基于SSA-MPC-SMC的四旋翼无人机轨迹跟踪

摘要

为解决六自由度四旋翼无人机(UAV)在轨迹跟踪控制过程中，因为存在复杂的外部未知干扰，而使系统的轨迹跟踪精度产生较大波动的问题，设计了一种新型的级联双闭环控制系统，分别针对速度误差和位置姿态误差。首先，使用模型预测控制(MPC)设计速度闭环控制器，麻雀搜索算法(SSA)因具有快速收敛性和强鲁棒性，被应用于MPC滚动优化进程求取最优解。为了克服MPC存在的计算量过大的缺点，使用滑模控制(SMC)分别设计位置和姿态动力学控制器。SMC对外界干扰不敏感、鲁棒性强、无需精确建模，从而解决了UAV外部干扰不确定以及难以准确建模的问题。使用饱和函数替代符号函数，使实际系统的输入具有连续性，从而有效地减轻SMC中的高频抖振现象。最后使用李雅普诺夫理论验证所提出的SSA-MPC控制器的稳定性。实验结果表明：在受到复杂的外部未知干扰以及参数不确定的情况下，所提出的方法能够保证六自由度四旋翼UAV实现高精度跟踪，且控制效果明显优于传统单一控制器构成的UAV控制系统。所提出的级联控制器可以有效地实现复杂的外部未知干扰下的四旋翼UAV轨迹跟踪。

关键词

四旋翼无人机 / 轨迹跟踪控制 / 模型预测控制 / 麻雀搜索算法 / 滑模控制

基金资助

江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ2206610);江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ2206607)