CN110069012A - 用于抑制噪声的控制量确定方法和装置、姿态控制系统 - Google Patents
用于抑制噪声的控制量确定方法和装置、姿态控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本公开提供一种用于抑制噪声的控制量确定方法和装置、姿态控制系统。该控制量确定装置以预定频率对指定角速度进行检测，对指定角速度的当前检测值进行跟踪微分处理，以得到第一输出值和第二输出值，根据第一输出值和第二输出值确定跟踪值，利用指定角速度的期望值和跟踪值分别确定控制比例项和控制积分项，利用第二输出值确定控制微分项，利用控制比例项、控制积分项和控制微分项确定指定角速度的控制量。本公开能够有效抑制结构振动所引起的振动噪声对微分控制的不利影响，减小飞行器控制量的抖动，使飞行器姿态控制更为平滑。
Description
技术领域
本公开涉及自动控制领域，特别涉及一种用于抑制噪声的控制量确定方法和装置、姿态控制系统。
背景技术
多旋翼飞行器是一种布局新颖、机动能力灵活的飞行平台，目前已被应用在物流运输中。多旋翼飞行器是一个复杂的非线性、强耦合、多输入多输出的动力学系统，相对于一般的控制对象具有更为复杂的控制过程。
对于大型多旋翼飞行器，其飞行中结构振动更加突出，往往会引起控制-结构耦合的问题，影响飞行控制性能。多旋翼飞行器姿态控制通常采用串级PID(ProportionIntegration Differentiation，比例、积分、微分)控制技术，将姿态控制分解为姿态角和姿态角速度两环进行控制。在姿态角速度环控制中，通常需要计算角速度误差的微分，而大型多旋翼飞行器结构振动导致的角速度测量噪声，会在微分的计算过程中被放大，并最终通过飞行控制回路进一步加剧结构振动。
不完全微分PID是一种目前较为常见的处理微分噪声的方法，简单来说就是在PID控制算法的微分环节中，加入一阶惯性环节对微分项进行低通滤波。
然而，这种方案存在以下技术缺陷：
1、采用低通滤波器虽然能够削弱高频噪声的干扰，但是也会导致信号的相位延迟，使得控制算法的微分项作用滞后，严重时会导致无人机姿态发散。
2、一阶惯性环节作为低通滤波器，自身的滤波性能较差。
发明内容
本公开的实施例解决的一个技术问题是：无法有效抑制角速度测量噪声，从而加剧飞行器结构振动。
根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种用于抑制噪声的控制量确定方法，包括：
以预定频率对指定角速度进行检测；
对指定角速度的当前检测值p进行跟踪微分处理，以得到第一输出值v1和第二输出值v2，其中v2(k+1)由p(k)、v1(k)和v2(k)确定，v1(k+1)由v1(k)和v2(k)确定，k为时间序列中的时间参数；
根据第一输出值和第二输出值确定跟踪值；
利用指定角速度的期望值和跟踪值确定控制比例项和控制积分项，利用第二输出值确定控制微分项；
利用控制比例项、控制积分项和控制微分项，确定指定角速度的控制量。
可选地，跟踪值v(k)＝v1(k)+dt1·v2(k)；
其中dt1为微分预估时间间隔。
可选地，v1(k+1)＝v1(k)+dt·v2(k)；
v2(k+1)＝v2(k)+dt·fh；
其中dt为计算间隔，fh由p(k)、v1(k)、v2(k)确定。
可选地，控制比例项UP(k)＝Kp·[pc(k)－v(k)]；
控制积分项UI(k)＝UI(k-1)+KI·dt·[pc(k)－v(k)]；
控制微分项UD(k)＝-KD·v2(k)；
其中pc(k)为指定角速度的期望值，Kp、KI、KD为控制参数。
可选地，指定角速度的控制量为控制比例项、控制积分项和控制微分项之和。
可选地，指定角速度为飞行器滚转角速度、俯仰角速度或偏航角速度。
根据本公开的一个或多个实施例的另一个方面，提供一种用于抑制噪声的控制量确定装置，包括：
检测模块，被配置为以预定频率对指定角速度进行检测；
跟踪微分模块，被配置为对指定角速度的当前检测值p进行跟踪微分处理，以得到第一输出值v1和第二输出值v2，其中v2(k+1)由p(k)、v1(k)和v2(k)确定，v1(k+1)由v1(k)和v2(k)确定，k为时间序列中的时间参数；
跟踪值确定模块，被配置为根据第一输出值和第二输出值确定跟踪值；
控制项确定模块，被配置为利用指定角速度的期望值和跟踪值确定控制比例项和控制积分项，利用第二输出值确定控制微分项；
控制量确定模块，被配置为利用控制比例项、控制积分项和控制微分项，确定指定角速度的控制量。
可选地，跟踪值v(k)＝v1(k)+dt1·v2(k)；
其中dt1为微分预估时间间隔。
可选地，v1(k+1)＝v1(k)+dt·v2(k)；
v2(k+1)＝v2(k)+dt·fh；
其中dt为计算间隔，fh由p(k)、v1(k)、v2(k)确定。
可选地，控制比例项UP(k)＝Kp·[pc(k)－v(k)]；
控制积分项UI(k)＝UI(k-1)+KI·dt·[pc(k)－v(k)]；
控制微分项UD(k)＝-KD·v2(k)；
其中pc(k)为指定角速度的期望值，Kp、KI、KD为控制参数。
可选地，指定角速度的控制量为控制比例项、控制积分项和控制微分项之和。
可选地，指定角速度为飞行器滚转角速度、俯仰角速度或偏航角速度。
根据本公开的一个或多个实施例的另一个方面，提供一种用于抑制噪声的控制量确定装置，包括：
存储器，被配置为存储指令；
处理器，耦合到存储器，处理器被配置为基于存储器存储的指令执行实现如上述任一实施例涉及的方法。
根据本公开的一个或多个实施例的另一个方面，提供一种姿态控制系统，包括：
滚转通道控制器，被配置为确定飞行器滚转角速度的第一控制量；
俯仰通道控制器，被配置为确定飞行器俯仰角速度的第二控制量；
偏航通道控制器，被配置为确定飞行器偏航角速度的第三控制量；
姿态控制器，被配置为根据第一控制量、第二控制量和第三控制量对分析器姿态进行控制；
其中，滚转通道控制器、俯仰通道控制器和偏航通道控制器为上述任一实施例涉及的控制量确定装置。
根据本公开的一个或多个实施例的另一个方面，提供一种计算机可读存储介质，其中，计算机可读存储介质存储有计算机指令，指令被处理器执行时实现如上述任一实施例涉及的方法。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开一个实施例的用于抑制噪声的控制量确定方法的示例性流程图。
图2为本公开一个实施例的用于抑制噪声的控制量确定装置的示例性框图。
图3为本公开另一个实施例的用于抑制噪声的控制量确定装置的示例性框图。
图4为本公开一个实施例的用于确定抑制噪声的控制量的示例性框图。
图5为本公开一个实施例的姿态控制系统的示例性框图。
图6为利用本公开对角速度进行处理的示意图。
图7为利用本公开对微分项进行处理的示意图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图1为本公开一个实施例的用于抑制噪声的控制量确定方法的示例性流程图。可选地，本实施例的方法步骤可由用于抑制噪声的控制量确定装置执行。
步骤101，以预定频率对指定角速度进行检测。
可选地，指定角速度可以为指定角速度为飞行器滚转角速度、俯仰角速度或偏航角速度。
步骤102，对指定角速度的当前检测值p进行跟踪微分处理，以得到第一输出值v1和第二输出值v2，其中v2(k+1)由p(k)、v1(k)和v2(k)确定，v1(k+1)由v1(k)和v2(k)确定，k为时间序列中的时间参数。
可选地，第一输出值v1和第二输出值v2为：
v1(k+1)＝v1(k)+dt·v2(k)
v2(k+1)＝v2(k)+dt·fh (1)
其中dt为计算间隔，fh由p(k)、v1(k)、v2(k)确定。
可选地，fh可表示为：
fh＝fhan[p(k)－v1(k)，v2(k)，r，h0] (2)
其中，fhan为非线形函数，参数r体现了fhan函数的跟踪速度，参数h0用于消弱输入信号的噪声干扰。
例如，fhan可通过如下方式进行计算。
其中，fsg(x,d)＝[sign(x+d)-sign(x-d)]/2，sign(·)为符号函数。
步骤103，根据第一输出值和第二输出值确定跟踪值。
可选地，跟踪值v(k)可表示为：
v(k)＝v1(k)+dt1·v2(k) (4)
其中dt1为微分预估时间间隔。
步骤104，利用指定角速度的期望值和跟踪值确定控制比例项和控制积分项，利用第二输出值确定控制微分项。
可选地，对于控制比例项UP(k)，可利用指定角速度的期望值pc(k)和跟踪值v(k)之差进行确定。例如，控制比例项UP(k)可以为：
UP(k)＝Kp·[pc(k)－v(k)] (5)
上式中的Kp为控制参数。
可选地，对于控制积分项UI(k)，可利用指定角速度的期望值pc(k)和跟踪值v(k)之差、以及UI(k-1)进行控制。例如，控制积分项UI(k)可以为：
UI(k)＝UI(k-1)+KI·dt·[pc(k)－v(k)] (6)
KI为控制参数。
可选地，对于控制微分项UD(k)，可利用第二输出值v2(k)进行确定。例如，控制微分项UD(k)可以为：
UD(k)＝-KD·v2(k) (7)
KD为控制参数。
步骤105，利用控制比例项、控制积分项和控制微分项，确定指定角速度的控制量。
可选地，指定角速度的控制量为控制比例项、控制积分项和控制微分项之和。
在上述实施例的用于抑制噪声的控制量确定方法中，通过对跟踪微分处理进行优化，能够有效抑制结构振动所引起的振动噪声对微分控制的不利影响，减小飞行器控制量的抖动，使飞行器姿态控制更为平滑。
图2为本公开一个实施例的用于抑制噪声的控制量确定装置的示例性框图。如图2所示，该控制量确定装置包括检测模块21、跟踪微分模块22、跟踪值确定模块23、控制项确定模块24和控制量确定模块25。其中：
检测模块21被配置为以预定频率对指定角速度进行检测。
可选地，指定角速度为飞行器滚转角速度、俯仰角速度或偏航角速度。
跟踪微分模块22被配置为对指定角速度的当前检测值p进行跟踪微分处理，以得到第一输出值v1和第二输出值v2，其中v2(k+1)由p(k)、v1(k)和v2(k)确定，v1(k+1)由v1(k)和v2(k)确定，k为时间序列中的时间参数。
可选地，v1(k+1)＝v1(k)+dt·v2(k)，v2(k+1)＝v2(k)+dt·fh，其中dt为计算间隔，fh由p(k)、v1(k)、v2(k)确定。
可选地，fh可通过上式(2)、(3)确定。
跟踪值确定模块23被配置为根据第一输出值和第二输出值确定跟踪值。
可选地，跟踪值v(k)＝v1(k)+dt1·v2(k)，其中dt1为微分预估时间间隔。
控制项确定模块24被配置为利用指定角速度的期望值和跟踪值确定控制比例项和控制积分项，利用第二输出值确定控制微分项。
可选地，控制比例项UP(k)＝Kp·[pc(k)－v(k)]，控制积分项UI(k)＝UI(k-1)+KI·dt·[pc(k)－v(k)]，控制微分项UD(k)＝-KD·v2(k)。其中pc(k)为指定角速度的期望值，Kp、KI、KD为控制参数。
控制量确定模块25被配置为利用控制比例项、控制积分项和控制微分项，确定指定角速度的控制量。
可选地，指定角速度的控制量为控制比例项、控制积分项和控制微分项之和。
图3为本公开另一个实施例的用于抑制噪声的控制量确定装置的示例性框图。如图3所示，控制量确定装置包括存储器31和处理器32。
存储器31用于存储指令，处理器32耦合到存储器31，处理器32被配置为基于存储器存储的指令执行实现如图1中任一实施例涉及的方法。
如图3所示，该控制量确定装置还包括通信接口33，用于与其它设备进行信息交互。同时，该装置还包括总线34，处理器32、通信接口33、以及存储器31通过总线34完成相互间的通信。
存储器31可以包含高速RAM存储器，也可还包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器31也可以是存储器阵列。存储器31还可能被分块，并且块可按一定的规则组合成虚拟卷。
此外，处理器32可以是一个中央处理器CPU，或者可以是专用集成电路ASIC，或者是被配置成实施本公开实施例的一个或多个集成电路。
图4为本公开一个实施例的用于确定抑制噪声的控制量的示例性框图。需要说明的是，在飞行器的姿态控制中，会包含滚转、俯仰和偏航三个通道，其中各通道的架构是一致的。下面以滚转通道为例进行说明。
将当前从导航设备得到的滚转角速度p(k)输入到跟踪微分器中进行处理，以得到第一输出值v1(k)和第二输出值v2(k)，进而利用上述公式(4)得到相应的跟踪值v(k)。
接下来，根据上述公式(5)，可利用滚转角速度的期望值pc(k)和跟踪值v(k)之差确定控制比例项UP(k)。根据上述公式(6)，可利用滚转角速度的期望值pc(k)和跟踪值v(k)之差、以及UI(k-1)确定控制积分项UI(k)。根据上述公式(7)，可利用第二输出值v2(k)确定控制微分项UD(k)。由此可得到滚转通道的控制量Up(k)，Up(k)＝UP(k)+UI(k)+UD(k)。
基于相似的处理，可得到俯仰通道的控制量Uq(k)和偏航通道的控制量Ur(k)。
图5为本公开一个实施例的姿态控制系统的示例性框图。如图5所示，该姿态控制系统包括滚转通道控制器51、俯仰通道控制器52、偏航通道控制器53和姿态控制器54。
滚转通道控制器51被配置为确定飞行器滚转角速度的第一控制量。俯仰通道控制器52被配置为确定飞行器俯仰角速度的第二控制量。偏航通道控制器53被配置为确定飞行器偏航角速度的第三控制量。
可选地，滚转通道控制器51、俯仰通道控制器52和偏航通道控制器53可为图2至图3中任一实施例涉及的用于抑制噪声的控制量确定装置。
姿态控制器54被配置为根据第一控制量、第二控制量和第三控制量对分析器姿态进行控制。
可选地，可在计算出三个通道的控制量Up、Uq和Ur后，再加上上层控制器或是遥控器给出的油门控制量Ut，再利用控制分配的过程就可以计算出多旋翼飞行器各个电机的控制量。即：
[δ1,δ2,…,δn]T＝G(Up,Uq,Ur,Ut)
其中，G(·)表示控制分配过程。
可选地，在上面所描述的功能单元模块可以实现为用于执行本公开所描述功能的通用处理器、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称：PLC)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称：DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称：ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称：FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件或者其任意适当组合。
本公开同时还涉及一种计算机可读存储介质，其中计算机可读存储介质存储有计算机指令，指令被处理器执行时实现如图2至图3中任一实施例涉及的方法。
图6和图7为采用本公开方案所得到的结果。从图6中可以看到，角速度中的噪声被有效抑制。从图7中可以看到，采用本公开方案所采用的微分幅值在常规方式获得结果的1/8以内，即表明本公开可有效避免高频噪声的放大问题。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
本公开的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本公开限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本公开的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (15)
1.一种用于抑制噪声的控制量确定方法，包括：
以预定频率对指定角速度进行检测；
对所述指定角速度的当前检测值p进行跟踪微分处理，以得到第一输出值v1和第二输出值v2，其中v2(k+1)由p(k)、v1(k)和v2(k)确定，v1(k+1)由v1(k)和v2(k)确定，k为时间序列中的时间参数；
根据所述第一输出值和第二输出值确定跟踪值；
利用所述指定角速度的期望值和所述跟踪值确定控制比例项和控制积分项，利用所述第二输出值确定控制微分项；
利用所述控制比例项、控制积分项和控制微分项，确定所述指定角速度的控制量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述跟踪值v(k)＝v1(k)+dt1·v2(k)；
其中dt1为微分预估时间间隔。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：
v1(k+1)＝v1(k)+dt·v2(k)；
v2(k+1)＝v2(k)+dt·fh；
其中dt为计算间隔，fh由p(k)、v1(k)、v2(k)确定。
4.根据权利要求3所述的方法，其中：
所述控制比例项UP(k)＝Kp·[pc(k)－v(k)]；
所述控制积分项UI(k)＝UI(k-1)+KI·dt·[pc(k)－v(k)]；
所述控制微分项UD(k)＝-KD·v2(k)；
其中pc(k)为所述指定角速度的期望值，Kp、KI、KD为控制参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述指定角速度的控制量为所述控制比例项、控制积分项和控制微分项之和。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中：
所述指定角速度为飞行器滚转角速度、俯仰角速度或偏航角速度。
7.一种用于抑制噪声的控制量确定装置，包括：
检测模块，被配置为以预定频率对指定角速度进行检测；
跟踪微分模块，被配置为对所述指定角速度的当前检测值p进行跟踪微分处理，以得到第一输出值v1和第二输出值v2，其中v2(k+1)由p(k)、v1(k)和v2(k)确定，v1(k+1)由v1(k)和v2(k)确定，k为时间序列中的时间参数；
跟踪值确定模块，被配置为根据所述第一输出值和第二输出值确定跟踪值；
控制项确定模块，被配置为利用所述指定角速度的期望值和所述跟踪值确定控制比例项和控制积分项，利用所述第二输出值确定控制微分项；
控制量确定模块，被配置为利用所述控制比例项、控制积分项和控制微分项，确定所述指定角速度的控制量。
8.根据权利要求7所述的装置，其中：
所述跟踪值v(k)＝v1(k)+dt1·v2(k)；
其中dt1为微分预估时间间隔。
9.根据权利要求8所述的装置，其中：
v1(k+1)＝v1(k)+dt·v2(k)；
v2(k+1)＝v2(k)+dt·fh；
其中dt为计算间隔，fh由p(k)、v1(k)、v2(k)确定。
10.根据权利要求9所述的装置，其中：
所述控制比例项UP(k)＝Kp·[pc(k)－v(k)]；
所述控制积分项UI(k)＝UI(k-1)+KI·dt·[pc(k)－v(k)]；
所述控制微分项UD(k)＝-KD·v2(k)；
其中pc(k)为所述指定角速度的期望值，Kp、KI、KD为控制参数。
11.根据权利要求7所述的装置，其中：
所述指定角速度的控制量为所述控制比例项、控制积分项和控制微分项之和。
12.根据权利要求7-11中任一项所述的装置，其中：
所述指定角速度为飞行器滚转角速度、俯仰角速度或偏航角速度。
13.一种用于抑制噪声的控制量确定装置，包括：
存储器，被配置为存储指令；
处理器，耦合到存储器，处理器被配置为基于存储器存储的指令执行实现如权利要求1-6中任一项的方法。
14.一种姿态控制系统，包括：
滚转通道控制器，被配置为确定飞行器滚转角速度的第一控制量；
俯仰通道控制器，被配置为确定飞行器俯仰角速度的第二控制量；
偏航通道控制器，被配置为确定飞行器偏航角速度的第三控制量；
姿态控制器，被配置为根据所述第一控制量、第二控制量和第三控制量对分析器姿态进行控制；
其中，滚转通道控制器、俯仰通道控制器和偏航通道控制器为权利要求7-13中任一项所述的控制量确定装置。
15.一种计算机可读存储介质，其中，计算机可读存储介质存储有计算机指令，指令被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的方法。
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