２０１０年５月控制工程
Ｍａｙ２０
１０
第１７卷９３期ＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＣｈｉｎａ
Ｖ０１．１７，Ｎｏ．３
文章编号：１６７１－７８４８【２０１０）０３－０３９３－０４
空中机器人多模态控制研究
李坚强１，裴海龙２
（１．深圳大学计算机与软件学院．广东深圳５１８０６０；２．华南理工大学自动化科学与工程学院．广东广州５１０６４１）
摘要：研究空中机器人（小型无人直升机）的约束优化控制问题：对小型无人直升机的
非线性系统模型进行系统约简，建立混合系统的分段仿射系统模型，针对该问题求解中遇到的在线计算量大，不利于实时控制等问题，提出利用多参数二次规划离线计算出混合系统最优控制律的方法。基于多参数二次规划的方法。在最大可控不变集的可行域内进行显式优化控制器设计，通过反向动态规划，求出对应每一步的优化解，从而求得不变集作为可行域的优化解。通过实际参数的系统仿真，证明了方法的有效性。
关键词：空中机器人；混合系统；不变集；多参数二次规划；显式控制器中图分类号：ＴＰ
２７
文献标识码：Ａ
ＯｎＭｕｈｉ—ｍｏｄｅｌＣｏｎｔｒｏｌｏｆＡｅｒｉａｌＲｏｂｏｔｉｃｓ
Ｌ／Ｊｉａｎ－ｑｉａｎｇｔ．ＰＥ｜Ｈａｉ—ｌｏｎ９１
（１．Ｓｃｈｏｏｌ
ｏｆ
ＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＳｏｆｔｗａｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｚｈｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ５１８０６０。Ｃｈｉｎａ；
２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａ
ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄｏｐｔｉｍａｌｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｂｌｅｍｏｆａｅｒｉａｌｒｏｂｏｔｉｃｓｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌｏｆｓｍａｌｌｕｎｍａｎｎｅｄｈｅｌｉ—
ｃｏｐｔｅｒｉｓａｂｓｔｒａｃｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｉｅｃｅ—ｗｉｓｅａｆｆｉｎｅｈｙｂｒｉｄｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｏｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｏｎ－ｌｉｎｅｃｏｍｕｐａｔｉｏｎ，ａｎｅｘｐｌｉｃｉｔ
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１
引言
空中机器人（智能小型无人直升机）在监视、救援和航拍等众多应用领域中扮演着关键的角色。因为无人飞行器的飞行操作都是在地面完成的，即使发生了飞行意外也不会造成人员的直接伤亡，所以特别适合代替有人驾驶飞机去完成一些危险的任务。由于小型无人直升机具有在狭小空间复杂环境中垂直起降和悬停的能力，对其自主功能的研究首先是出于军事目的，除此以外许多特殊情况如高压线／输油管道巡视、交通执法和紧急事件现场监控、环境／海洋监测、精准农业生产以及航空摄影／测量等都会对小型无人直升机产生需求。
本文基于前人的研究基础，对于非线性无人机模型在悬停、前飞等各种状态下进行混合系统建模。对于系统的约束，采用最大可控不变集方法计
算出飞行姿态等无人机的安全区域。在安全区域内，本文设计了一种基于反向动态规划的显式优化控制算法对无人机进行了控制器设计，实现控制的实时性。
２无人直升机的混合系统建模
１）无人直升机非线性模型小型无人直升机
系统，如图ｌ所示＋
图１
小型无人直升机系统
Ｆｉｇ．Ｉ
Ｓｍａｌｌｕｎｍａｎｎｅｄｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｓｙｓｔｅｍ
收稿日期：２００９－０９－０３；收修定稿日期：２００９－０９－１７
基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０３７４０３６；６０５７４００４）；高校博士点基金资助项目（２００４０５６１０３１）；广东省自然科学基金资助项
目（７３０１３２９．７３０１３１５）
作者简介：李坚强（１９８０．）．男．广东韶关人．讲师，博士，主要从事混合系统、嵌入式与机器人系统等方面的教学与科研工作；裴海
龙（１９６５．），男．教授，博士生导师。
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