基于MPCC的鸭翼尾座式垂直起降无人机轨迹跟踪控制算法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29950

集群智能与协同控制

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基于MPCC的鸭翼尾座式垂直起降无人机轨迹跟踪控制算法

曹煜琪¹^,², 付皓然¹, 高飞², 吕熙敏¹()

^1.中山大学·深圳智能工程学院，深圳 518107
^2.浙江大学控制科学与工程学院，杭州 310007

收稿日期:2023-12-07 修回日期:2023-12-08 接受日期:2023-12-24 出版日期:2023-12-25 发布日期:2024-01-04
通讯作者: 吕熙敏 E-mail:lvxm6@mail.sysu.edu.cn
基金资助:
深圳市优秀科技创新人才培养项目(RCBS20221008093104017)

Trajectory tracking control algorithm for canard⁃equipped tail⁃sitting vertical takeoff and landing UAV based on MPCC

Yuqi CAO¹^,², Haoran FU¹, Fei GAO², Ximin LYU¹()

^1.School of Intelligent Systems Engineering，Shenzhen Campus of Sun Yat?sen University，Shenzhen 518107，China
^2.College of Control Science and Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310007，China

Received:2023-12-07 Revised:2023-12-08 Accepted:2023-12-24 Online:2023-12-25 Published:2024-01-04
Contact: Ximin LYU E-mail:lvxm6@mail.sysu.edu.cn
Supported by:
Outstanding Science and Technology Innovation Talent Cultivation Program of Shenzhen(RCBS20221008093104017)

摘要/Abstract

摘要：

目前针对鸭翼尾座式垂直起降无人机（UAV）的高速轨迹跟踪控制还没有成熟的解决方案。本文设计了一种轮廓模型预测控制（MPCC）以实现无人机的轨迹跟踪控制。给定一段轨迹，此控制器能够预测并选择最优的状态和输出，使得无人机能够最大化自己的飞行速度和最小化自己离轨迹的距离。通过调整飞行速度和距离误差的权重参数，无人机能够平衡两者的侧重点，以适应不同的飞行环境。另外，本文将此优化问题进行线性化，使其转化为一个凸二次规划问题，以减小求解时间。最终通过仿真实验跟踪不同的轨迹，验证了算法的有效性。

关键词: 尾座式无人机, 垂直起降, 鸭翼布局, 轮廓模型预测控制, 二次规划

Abstract:

Currently， there is no mature solution for high-speed trajectory tracking control of canard-equipped tail-sitter vertical takeoff and landing Unmanned Aerial Vehicle （UAV）. This paper proposes a Model Predictive Contouring Control （MPCC） for achieving trajectory tracking control of the UAV. Given a trajectory segment， this controller predicts and selects optimal states and outputs， allowing the UAV to maximize its flight velocity and minimize its deviation from the trajectory. By adjusting the weight parameters of flight velocity and distance error， the UAV can balance the emphasis between the two aspects to adapt to various flight environments. Additionally， this paper linearizes the optimization problem by transforming it into a convex quadratic programming problem to reduce computation time. Finally， through simulation experiments involving various trajectories， the effectiveness of the algorithm is verified.

Key words: tail-sitter UAV, vertical takeoff and landing, canard layout, MPCC, quadratic programming

中图分类号:

V279

曹煜琪, 付皓然, 高飞, 吕熙敏. 基于MPCC的鸭翼尾座式垂直起降无人机轨迹跟踪控制算法[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729950-729950.

Yuqi CAO, Haoran FU, Fei GAO, Ximin LYU. Trajectory tracking control algorithm for canard⁃equipped tail⁃sitting vertical takeoff and landing UAV based on MPCC[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(S2): 729950-729950.

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参考文献 25

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
起飞重量/kg	1.432
巡航速度/（m·s^-1）	12
最大悬停时间/min	25
最大平飞时间/min	80
悬停推重比	2.01
翼展/m	1.2
最大升阻比	10.5
稳定裕度/%	12

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