CN114415720A - 一种四旋翼无人机控制方法、装置、终端设备及存储介质 - Google Patents

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CN114415720A CN202111631798.6A CN202111631798A CN114415720A CN 114415720 A CN114415720 A CN 114415720A CN 202111631798 A CN202111631798 A CN 202111631798A CN 114415720 A CN114415720 A CN 114415720A
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Abstract

本申请适用于四旋翼无人机技术领域，提供一种四旋翼无人机控制方法、装置、终端设备及存储介质，方法包括：根据第k时刻的十二维控制状态量和第k时刻的四维控制输入量，获取第k+n时刻的十二维控制状态量；根据第k+n时刻的十二维控制状态量和第k+n时刻的十二维控制状态量的期望值，构建第k+n时刻的目标函数；基于非线性模型预测控制方法，对第k+n时刻的目标函数进行极小值求解，获取满足约束条件的第k+1时刻的四维控制输入量；根据第k+1时刻的四维控制输入量，对四旋翼无人机在第k+1时刻的六维位姿数据进行控制。本申请可以实现对四旋翼无人机系统的全局稳定控制，不再受限于平衡位置附近的稳定性，极大的提升了系统的全局稳定性。

Description

一种四旋翼无人机控制方法、装置、终端设备及存储介质
技术领域
本申请属于四旋翼无人机技术领域，尤其涉及一种四旋翼无人机控制方法、装置、终端设备及存储介质。
背景技术
四旋翼无人机系统是一种典型的欠驱动系统(Underactuated Systems)，该系统的输入量比需要控制的状态量少，仅有四个旋翼提供动力，但要控制六个维度的位置和姿态量。现有的四旋翼无人机系统，仅能在平衡位置附近稳定控制，系统整体的稳定性较低。
发明内容
本申请实施例提供了一种四旋翼无人机控制方法、装置、终端设备及存储介质，以解决现有的四旋翼无人机系统，仅能在平衡位置附近稳定控制，系统整体的稳定性较低的问题。
本申请实施例的第一方面提供一种四旋翼无人机控制方法，包括：
根据第k时刻的十二维控制状态量和第k时刻的四维控制输入量，获取第k+n时刻的十二维控制状态量；
根据所述第k+n时刻的十二维控制状态量和所述第k+n时刻的十二维控制状态量的期望值，构建第k+n时刻的目标函数；
基于非线性模型预测控制方法，对所述第k+n时刻的目标函数进行极小值求解，获取满足约束条件的第k+1时刻的四维控制输入量；
根据第k+1时刻的四维控制输入量，对四旋翼无人机在第k+1时刻的六维位姿数据进行控制；
其中，所述十二维控制状态量包括六维位姿数据和所述六维位姿数据的一阶微分，所述六维位姿数据包括地球坐标系下的三维位置、滚转角、俯仰角和偏航角，所述四维控制输入量包括机体坐标系下的合升力、滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，所述约束条件基于所述四维控制输入量构建，k和n为正整数。
本申请实施例的第二方面提供一种四旋翼无人机控制装置，包括：
状态量获取单元，用于根据第k时刻的十二维控制状态量和第k时刻的四维控制输入量，获取第k+n时刻的十二维控制状态量；
函数构建单元，用于根据所述第k+n时刻的十二维控制状态量和所述第k+n时刻的十二维控制状态量的期望值，构建第k+n时刻的目标函数；
输入量获取单元，用于基于非线性模型预测控制方法，对所述第k+n时刻的目标函数进行极小值求解，获取满足约束条件的第k+1时刻的四维控制输入量；
控制单元，用于根据第k+1时刻的四维控制输入量，对四旋翼无人机在第k+1时刻的六维位姿数据进行控制；
其中，所述十二维控制状态量包括六维位姿数据和所述六维位姿数据的一阶微分，所述六维位姿数据包括地球坐标系下的三维位置、滚转角、俯仰角和偏航角，所述四维控制输入量包括机体坐标系下的合升力、滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，所述约束条件基于所述四维控制输入量构建，k和n为正整数。
本申请实施例的第三方面提供一种终端设备，包括处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方面提供的四旋翼无人机控制方法的步骤。
本申请实施例的第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面提供的四旋翼无人机控制方法的步骤。
本申请实施例的第一方面提供的四旋翼无人机控制方法，根据第k时刻的十二维控制状态量和第k时刻的四维控制输入量，获取第k+n时刻的十二维控制状态量；根据第k+n时刻的十二维控制状态量和第k+n时刻的十二维控制状态量的期望值，构建第k+n时刻的目标函数；基于非线性模型预测控制方法，对第k+n时刻的目标函数进行极小值求解，获取满足约束条件的第k+1时刻的四维控制输入量；根据第k+1时刻的四维控制输入量，对四旋翼无人机在第k+1时刻的六维位姿数据进行控制；通过基于非线性模型预测控制方法，根据第k时刻的十二维控制状态量和四维控制输入量，预测第k+1时刻的四维控制输入量，同时控制四旋翼无人机系统的六维位姿，从而可以实现对系统的全局稳定控制，不再受限于平衡位置附近的稳定性，极大的提升了系统的全局稳定性。
可以理解的是，上述第二方面至第四方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的四旋翼无人机控制方法的第一种流程示意图；
图2是本申请实施例提供的机体坐标系的示意图；
图3是本申请实施例提供的地球坐标系的示意图；
图4是本申请实施例提供的四旋翼无人机控制方法的第二种流程示意图；
图5是本申请实施例提供的四旋翼无人机控制装置的结构示意图；
图6是本申请实施例提供的终端设备的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。“多个”表示“两个或两个以上”。
本申请实施例提供一种四旋翼无人机控制方法，可以由终端设备的处理器在运行相应的计算机程序时执行，通过基于非线性模型预测控制方法，根据第k时刻的十二维控制状态量和四维控制输入量，预测第k+1时刻的四维控制输入量，同时控制四旋翼无人机系统的六维位姿，从而可以实现对系统的全局稳定控制，不再受限于平衡位置附近的稳定性，极大的提升了系统的全局稳定性。
在应用中，终端设备可以是四旋翼无人机，也可以是任意能够与四旋翼无人机进行无线通信并对其进行控制的控制设备，例如，遥控器，搭载有无人机飞控系统的(云)服务器、手机、平板电脑、可穿戴设备、增强现实(Augmented Reality，AR)/虚拟现实(VirtualReality，VR)设备、笔记本电脑、超级移动个人计算机(Ultra-Mobile Personal Computer，UMPC)、上网本、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)、桌上型计算机等。
如图1所示，本申请实施例提供的四旋翼无人机控制方法，包括如下步骤S101至S104：
步骤S101、根据第k时刻的十二维控制状态量和第k时刻的四维控制输入量，获取第k+n时刻的十二维控制状态量。
在应用中，十二维控制状态量包括四旋翼无人机的六维位姿数据和六维位姿数据的一阶微分；其中，六维位姿数据包括地球坐标系下的三维坐标位置、滚转角、俯仰角和偏航角；六维位姿数据的一阶微分表示六维位姿数据的变化率，具体包括四旋翼无人机在地球坐标系下的三维坐标轴方向的速度以及滚转角的角速度、俯仰角的角速度和偏航角的的角速度。四维控制输入量包括机体坐标系下的合升力、滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩；其中，合升力为四旋翼无人机的四个旋翼所产生的四个升力的合成升力。四维控制输入量为四旋翼无人机系统的输入量，用于对四旋翼无人机的六维位姿进行控制。
如图2所示，示例性的示出了地球坐标系的示意图；其中，地球坐标系oExEyEzE以重力方向的反方向为zE轴方向，基于右手定则构建，φ表示绕xe轴旋转的滚转角、θ表示绕yE轴旋转的俯仰角、ψ表示绕zE轴旋转的偏航角。
如图3所示，示例性的示出了机体坐标系的示意图，机体坐标系oBxByBzB以四旋翼无人机的质心为坐标原点oB，基于右手定则构建，oBxB方向为四旋翼无人机的前进方向，F1、F2、F3、F4分别表示四个旋翼所产生的升力。
在应用中，k和n为正整数，第k时刻可以为当前时刻，第k+n时刻可以为距离当前时刻Ts时间的未来任一时刻，例如，当n的取值为1时，第k+n时刻为下一时刻，也即第k+1时刻；当n的取值为2时，第k+n时刻为下下一时刻，也即第k+2时刻；……；依此类推，第k+n时刻的具体时间点由n的取值决定。
在应用，第k时刻的四维控制输入量和十二维控制状态量为已知量，根据这些已知量对系统状态进行递推，可以依次获得系统从未来第k+1时刻至第k+n时刻的十二维控制状态量。具体的，根据第k时刻的四维控制输入量和十二维控制状态量，推导获得未来第k+1时刻的十二维控制状态量；根据第k+1时刻的四维控制输入量和十二维控制状态量，推导获得未来第k+2时刻的十二维控制状态量；……；依此递推，最终根据第k+n-1时刻的四维控制输入量和十二维控制状态量，推导获得未来第k+n时刻的十二维控制状态量。
如图4所示，在一个实施例中，步骤S101包括如下步骤S1011至S1013：
步骤S1011、根据第k+i-1时刻的十二维控制状态量和第k+i-1时刻的四维控制输入量，获取第k+i时刻的六维位姿数据的二阶微分；
步骤S1012、根据第k+i-1时刻的六维位姿数据的一阶微分、第k+i-1时刻的六维位姿数据的二阶微分以及第k+i时刻与第k+i-1时刻之间的间隔时间，获取第k+i时刻的六维位姿数据的一阶微分；
步骤S1013、根据第k+i-1时刻的十二维控制状态量、第k+i-1时刻的六维位姿数据的二阶微分以及第k+i时刻与第k+i-1时刻之间的间隔时间，获取第k+i时刻的六维位姿数据；
其中，i＝1,2,…,n。
在应用中，在第一次推导过程中，首先，基于四旋翼无人机的动力学方程，根据第k时刻的十二维控制状态量和四维控制输入量，获取第k+1时刻的六维位姿数据的二阶微分；
然后，根据第k时刻的六维位姿数据的一阶微分和二阶微分以及第k+1时刻与第k时刻之间的间隔时间，获取第k+1时刻的六维位姿数据的一阶微分；
最后，根据第k时刻的十二维控制状态量和六维位姿数据的二阶微分以及第k+1时刻与第k时刻之间的间隔时间，获取第k+1时刻的六维位姿数据；
第k+1时刻的六维位姿数据的一阶微分和六维位姿数据的组合，即为第k+1时刻的十二维控制状态量；
在第二次推导过程中，首先，基于四旋翼无人机的动力学方程，根据第k+1时刻的十二维控制状态量和四维控制输入量，获取第k+2时刻的六维位姿数据的二阶微分；
然后，根据第k+1时刻的六维位姿数据的一阶微分和二阶微分以及第k+2时刻与第k+1时刻之间的间隔时间，获取第k+2时刻的六维位姿数据的一阶微分；
最后，根据第k+1时刻的十二维控制状态量和六维位姿数据的二阶微分以及第k+2时刻与第k+1时刻之间的间隔时间，获取第k+2时刻的六维位姿数据；
第k+2时刻的六维位姿数据的一阶微分和六维位姿数据的组合，即为第k+2时刻的十二维控制状态量；
……；
按照上述步骤，依次递推，即可最终得到第k+n时刻的十二维控制状态量。
在一个实施例中，步骤S1011中，第k+i时刻的六维位姿数据的二阶微分的计算公式为：
Figure BDA0003440456760000071
步骤S1012中，第k+i时刻的六维位姿数据的一阶微分的计算公式为：
Figure BDA0003440456760000072
步骤S1013中，第k+i时刻的六维位姿数据的计算公式为：
Figure BDA0003440456760000073
其中，
Figure BDA0003440456760000081
表示第k+i时刻的六维位姿数据的二阶微分，
Figure BDA0003440456760000082
表示第k+i时刻的六维位姿数据的一阶微分，X(k+i)表示第k+i时刻的六维位姿数据，f()表示四旋翼无人机的动力学方程的函数，X(k+i-1)表示第k+i-1时刻的六维位姿数据，
Figure BDA0003440456760000083
表示第k+i-1时刻的六维位姿数据的一阶微分，U(k+i-1)表示第k+i-1时刻的四维控制输入量，
Figure BDA0003440456760000084
表示第k+i-1时刻的六维位姿数据的二阶微分，Tk+i表示第k+i时刻对应的时间点，Tk+i-1表示第k+i-1时刻对应的时间点。
在一个实施例中，四旋翼无人机的动力学方程的表达式为：
Figure BDA0003440456760000085
其中，
Figure BDA0003440456760000086
表示六维位姿数据，
Figure BDA0003440456760000087
表示六维位姿数据的一阶微分，
Figure BDA0003440456760000088
表示六维位姿数据的二阶微分，[Ix Iy Iz]表示地球坐标系下的三维旋转惯量，[U1 U2 U3 U4]T表示四维控制输入量，m表示四旋翼无人机的重量，g表示重力加速度。
在应用中，第k+i时刻的六维位姿数据的二阶微分的计算公式，基于四旋翼无人机的动力学方程的表达式进行简化表达后获得。假设第k时刻对应的时间点为Tk，第k+n时刻对应的时间点为Tk+n，第k时刻和第k+n时刻之间的时间间隔为Ts时间，则第k时刻和第k+n时刻之间的任意相邻两个时刻之间的时间间隔为Ts/n，第k+1时刻对应的时间点为Tk+1＝Tk+Ts/n，第k+2时刻对应的时间点为Tk+2＝Tk+2Ts/n，第k+3时刻对应的时间点为Tk+3＝Tk+3Ts/n，……，依此类推，即可获得各时刻对应的时间点。
在一个实施例中，步骤S1011至S1013的for循环语句表示形式为：
fori＝1n
Figure BDA0003440456760000091
Figure BDA0003440456760000092
Figure BDA0003440456760000093
end
在应用中，根据基于上述递推方法，推导获得的未来第k+n时刻的十二维控制状态量的表达式为
Figure BDA0003440456760000094
具体为：
Figure BDA0003440456760000095
步骤S102、根据第k+n时刻的十二维控制状态量和第k+n时刻的十二维控制状态量的期望值，构建第k+n时刻的目标函数；
步骤S103、基于非线性模型预测控制方法，对所述第k+n时刻的目标函数进行极小值求解，获取满足约束条件的第k+1时刻的四维控制输入量；
步骤S104、根据第k+1时刻的四维控制输入量，对四旋翼无人机在第k+1时刻的六维位姿数据进行控制。
在应用中，以第k+n时刻的十二维控制状态量的期望值与十二维控制状态量之间的误差W＝[W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 W9 W10 W11 W12]T为松弛变量，这十二个变量分别代表十二维控制状态量对应的十二个维度的误差。
在一个实施例中，步骤S102中，第k+n时刻的目标函数的表达式为：
minW2
W＝Yd(k+n)-Y(k+n)
其中，minW2表示第k+n时刻的目标函数，min()表示求最小值函数，W表示第k+n时刻的十二维控制状态量的期望值与第k+n时刻的十二维控制状态量之间的误差，Yd(k+n)表示第k+n时刻的十二维控制状态量的期望值，Y(k+n)表示第k+n时刻的十二维控制状态量。
在一个实施例中，步骤S103中，约束条件的表达式为：
Umin≤U≤Umax
其中，Umin表示四维控制输入量的下限值，U表示四维控制输入量，Umax表示四维控制输入量的上限值。
在应用中，第k+n时刻的十二维控制状态量的期望值与十二维控制状态量之间的接近程度可以用期望的二次型W2来表示，其数值越小越好，因此，需要对W2进行最小值求解。由于Y(k+n)是根据上述递推方法得到，其中包含高度的非线性，因此，目标函数的求解问题即可以看作是典型的非线性模型预测控制(Nonlinear Model Predictive Control，NMPC)问题，将优化指标(也即目标函数)写成非线性模型预测控制的标准形式即为：
minW2
s.t.Umin≤U≤Umax。
在应用中，求解得到的每个时刻的四维控制输入量的约束条件可以相同，也可以不同，可以根据实际需要进行设置。
在一个实施例中，步骤S103包括：
基于非线性模型预测控制方法，对第k+n时刻的目标函数进行极小值求解，获取满足约束条件的第k+1时刻至第k+n时刻的共n个四维控制输入量。
在应用中，通过求解上述非线性模型预测控制问题，可以获得未来n个时刻的四维控制输入量，可以表示为[Uk+1 Uk+2 … Uk+n]T。由于在实际控制中，只需要将第k+1时刻的四维控制输入量作为输入量，实现对第k+1时刻的六维位姿数据的控制，从而控制四旋翼无人机在第k+1时刻的运动状态的控制，因此，仅输出第k+1时刻的四维控制输入量即可。在后续控制过程中，则根据上述控制方法，不断迭代求解，以实现对四旋翼无人机的运动状态的持续控制。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
本申请实施例还提供一种四旋翼无人机控制装置，用于执行上述方法实施例中的方法步骤。该装置可以是终端设备中的虚拟装置(virtual appliance)，由终端设备的处理器运行，也可以是终端设备本身。
如图5所示，本申请实施例提供的四旋翼无人机控制装置100包括：
状态量获取单元101，用于根据第k时刻的十二维控制状态量和第k时刻的四维控制输入量，获取第k+n时刻的十二维控制状态量；
函数构建单元102，用于根据第k+n时刻的十二维控制状态量和第k+n时刻的十二维控制状态量的期望值，构建第k+n时刻的目标函数；
输入量获取单元103，用于基于非线性模型预测控制方法，对第k+n时刻的目标函数进行极小值求解，获取满足约束条件的第k+1时刻的四维控制输入量；
控制单元104，用于根据第k+1时刻的四维控制输入量，对四旋翼无人机在第k+1时刻的六维位姿数据进行控制。
在应用中，上述装置中的各单元可以为软件程序模块，也可以通过处理器中集成的不同逻辑电路或与处理器连接的独立物理部件实现，还可以通过多个分布式处理器实现。
如图6所示，本申请实施例还提供一种终端设备200，包括：至少一个处理器201(图6中仅示出一个处理器)、存储器202以及存储在存储器202中并可在至少一个处理器202上运行的计算机程序203，处理器202执行计算机程序203时实现上述各个四旋翼无人机控制方法实施例中的步骤。
在应用中，终端设备可包括，但不仅限于，处理器以及存储器，图6仅仅是终端设备的举例，并不构成对终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如，输入输出设备、网络接入设备等。输入输出设备可以包括摄像头、音频采集/播放器件、显示屏等。网络接入设备可以包括无线通信模块，用于与外部设备进行无线通信。当终端设备是四旋翼无人机时必然还包括四个旋翼、舵机等动力部件。
在应用中，处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
在应用中，存储器在一些实施例中可以是终端设备的内部存储单元，例如终端设备的硬盘或内存。存储器在另一些实施例中也可以是终端设备的外部存储设备，例如，终端设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(SecureDigital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。存储器还可以既包括终端设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器用于存储操作系统、应用程序、引导装载程序(Boot Loader)、数据以及其他程序等，例如计算机程序的程序代码等。存储器还可以用于暂时存储已经输出或者将要输出的数据。
在应用中，显示屏可以为薄膜晶体管液晶显示屏(Thin Film Transistor LiquidCrystal Display，TFT-LCD)、液晶显示屏(Liquid Crystal Display，LCD)、有机电激光显示屏(Organic Light-Emitting Diode，OLED)、量子点发光二极管(Quantum Dot LightEmitting Diodes，QLED)显示屏，七段或八段数码管等。
在应用中，无线通信模块可以根据实际需要设置为任意能够直接或间接进行远距离无线通信的器件，例如，无线通信模块可以提供应用在网络设备上的包括无线局域网(Wireless Localarea Networks，WLAN)(如Wi-Fi网络)，蓝牙，Zigbee，移动通信网络，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)，调频(FrequencyModulation，FM)，近距离无线通信技术(Near Field Communication，NFC)，红外技术(Infrared，IR)等通信的解决方案。无线通信模块可以包括天线，天线可以只有一个阵元，也可以是包括多个阵元的天线阵列。无线通信模块可以通过天线接收电磁波，将电磁波信号调频以及滤波处理，将处理后的信号发送到处理器。无线通信模块还可以从处理器接收待发送的信号，对其进行调频、放大，经天线转为电磁波辐射出去。
需要说明的是，上述装置/模块之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本申请方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中，上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器所执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在终端设备上运行时，使得终端设备可实现上述各个方法实施例中的步骤。
所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种四旋翼无人机控制方法，其特征在于，包括：
根据第k时刻的十二维控制状态量和第k时刻的四维控制输入量，获取第k+n时刻的十二维控制状态量；
根据所述第k+n时刻的十二维控制状态量和所述第k+n时刻的十二维控制状态量的期望值，构建第k+n时刻的目标函数；
基于非线性模型预测控制方法，对所述第k+n时刻的目标函数进行极小值求解，获取满足约束条件的第k+1时刻的四维控制输入量；
根据第k+1时刻的四维控制输入量，对四旋翼无人机在第k+1时刻的六维位姿数据进行控制；
其中，所述十二维控制状态量包括六维位姿数据和所述六维位姿数据的一阶微分，所述六维位姿数据包括地球坐标系下的三维位置、滚转角、俯仰角和偏航角，所述四维控制输入量包括机体坐标系下的合升力、滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，所述约束条件基于所述四维控制输入量构建，k和n为正整数。
2.如权利要求1所述的四旋翼无人机控制方法，其特征在于，所述根据第k时刻的十二维控制状态量和第k时刻的四维控制输入量，获取第k+n时刻的十二维控制状态量，包括：
根据第k+i-1时刻的十二维控制状态量和第k+i-1时刻的四维控制输入量，获取第k+i时刻的六维位姿数据的二阶微分；
根据第k+i-1时刻的六维位姿数据的一阶微分、第k+i-1时刻的六维位姿数据的二阶微分以及第k+i时刻与第k+i-1时刻之间的间隔时间，获取第k+i时刻的六维位姿数据的一阶微分；
根据第k+i-1时刻的十二维控制状态量、第k+i-1时刻的六维位姿数据的二阶微分以及第k+i时刻与第k+i-1时刻之间的间隔时间，获取第k+i时刻的六维位姿数据；
其中，i＝1,2,…,n。
3.如权利要求2所述的四旋翼无人机控制方法，其特征在于，所述第k+i时刻的六维位姿数据的二阶微分的计算公式为：
Figure FDA0003440456750000021
所述第k+i时刻的六维位姿数据的一阶微分的计算公式为：
Figure FDA0003440456750000022
所述第k+i时刻的六维位姿数据的计算公式为：
Figure FDA0003440456750000023
其中，
Figure FDA0003440456750000024
表示所述第k+i时刻的六维位姿数据的二阶微分，
Figure FDA0003440456750000025
表示所述第k+i时刻的六维位姿数据的一阶微分，X(k+i)表示所述第k+i时刻的六维位姿数据，f()表示四旋翼无人机的动力学方程的函数，X(k+i-1)表示所述第k+i-1时刻的六维位姿数据，
Figure FDA0003440456750000026
表示所述第k+i-1时刻的六维位姿数据的一阶微分，U(k+i-1)表示所述第k+i-1时刻的四维控制输入量，
Figure FDA0003440456750000027
表示所述第k+i-1时刻的六维位姿数据的二阶微分，Tk+i表示第k+i时刻对应的时间点，Tk+i-1表示第k+i-1时刻对应的时间点。
4.如权利要求3所述的四旋翼无人机控制方法，其特征在于，所述四旋翼无人机的动力学方程的表达式为：
Figure FDA0003440456750000028
其中，
Figure FDA0003440456750000031
表示所述六维位姿数据，
Figure FDA0003440456750000032
表示所述六维位姿数据的一阶微分，
Figure FDA0003440456750000033
表示所述六维位姿数据的二阶微分，[Ix Iy Iz]表示所述地球坐标系下的三维旋转惯量，[U1 U2 U3 U4]T表示所述四维控制输入量，m表示所述四旋翼无人机的重量，g表示重力加速度。
5.如权利要求1至4任一项所述的四旋翼无人机控制方法，其特征在于，所述第k+n时刻的目标函数的表达式为：
minW2
W＝Yd(k+n)-Y(k+n)
其中，minW2表示所述第k+n时刻的目标函数，min()表示求最小值函数，W表示所述第k+n时刻的十二维控制状态量的期望值与所述第k+n时刻的十二维控制状态量之间的误差，Yd(k+n)表示所述第k+n时刻的十二维控制状态量的期望值，Y(k+n)表示所述第k+n时刻的十二维控制状态量。
6.如权利要求1至4任一项所述的四旋翼无人机控制方法，其特征在于，所述约束条件的表达式为：
Umin≤U≤Umax
其中，Umin表示所述四维控制输入量的下限值，U表示所述四维控制输入量，Umax表示所述四维控制输入量的上限值。
7.如权利要求2至4任一项所述的四旋翼无人机控制方法，其特征在于，所述基于非线性模型预测控制方法，对所述第k+n时刻的目标函数进行极小值求解，获取满足约束条件的第k+1时刻的四维控制输入量，包括：
基于非线性模型预测控制方法，对所述第k+n时刻的目标函数进行极小值求解，获取满足约束条件的第k+1时刻至第k+n时刻的共n个四维控制输入量。
8.一种四旋翼无人机控制装置，其特征在于，包括：
状态量获取单元，用于根据第k时刻的十二维控制状态量和第k时刻的四维控制输入量，获取第k+n时刻的十二维控制状态量；
函数构建单元，用于根据所述第k+n时刻的十二维控制状态量和所述第k+n时刻的十二维控制状态量的期望值，构建第k+n时刻的目标函数；
输入量获取单元，用于基于非线性模型预测控制方法，对所述第k+n时刻的目标函数进行极小值求解，获取满足约束条件的第k+1时刻的四维控制输入量；
控制单元，用于根据第k+1时刻的四维控制输入量，对四旋翼无人机在第k+1时刻的六维位姿数据进行控制；
其中，所述十二维控制状态量包括六维位姿数据和所述六维位姿数据的一阶微分，所述六维位姿数据包括地球坐标系下的三维位置、滚转角、俯仰角和偏航角，所述四维控制输入量包括机体坐标系下的合升力、滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，所述约束条件基于所述四维控制输入量构建，k和n为正整数。
9.一种终端设备，其特征在于，包括处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述四旋翼无人机控制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述四旋翼无人机控制方法的步骤。
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