基于改进鱼群算法的四旋翼无人机姿控参数整定方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107300925A(43)申请公布日2017.10.27(21)申请号201710564001.2(22)申请日2017.07.12(71)申请人西北工业大学地址710072陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人王佩张科吕梅柏徐有新王靖宇姜海旭邢超(74)专利代理机构西北工业大学专利中心61204代理人王鲜凯(51)Int.Cl.G05D1/08(2006.01)G05D1/10(2006.01)权利要求书3页说明书17页附图7页(54)发明名称基于改进鱼群算法的四旋翼无人机姿控参数整定方法(57)摘要本发明涉及一种基于改进鱼群算法的四旋翼无人机姿控参数整定方法，在标准人工鱼群算法的基础上，提出了一种动态调整人工鱼移动步长的策略，引入精英保留、繁殖行为和外部捕鱼行为，克服现有技术中标准人工鱼群算法存在的后期收敛速度严重降低、收敛精度不高和易陷入局部最优的缺陷。该方法可用于解决飞行器设计、飞控参数整定和路径规划等问题，并具有较好的问题求解精度和效率。CN107300925ACN107300925A权利要求书1/3页1.一种基于改进鱼群算法的四旋翼无人机姿控参数整定方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立典型四旋翼无人机俯仰姿态运动学模型为：式中，p为无人机的滚动角速度；q为无人机的俯仰角速度；为无人机的俯仰角加速度；r为无人机的偏航角速度；；Iy为无人机在y轴上的转动惯量；τy为无人机在y轴上的力矩；将运动学模型式变换为积分链式模型形式：式中，Δfθ为模型不确定性项；dθ为外部干扰项；x1＝θ为无人机的俯仰角；由俯仰姿态运动学模型阶数为2，设计由三阶扩展观测器和PID控制构成的自抗扰控制器对四旋翼无人机俯仰姿态进行控制，自抗扰姿态控制器为：扩展观测器：PID控制：自抗扰控制输出：uARDC＝upid-z3/b式中，θcmd为俯仰角控制指令；e为俯仰角误差；h为计算步长；z1、z2、z3为扩展张观测器3个状态；β0、β1、β2是扩展观测器观测系数；Kp、Ki、Kd为比例控制增益、积分控制增益和微分控制增益；T整定的自抗扰控制器参数为：X＝[KpKiKdβ0β1β2]，将控制器参数看作优化设计变量；选择ITAE评价指标为目标函数，设置控制器仿真步长，计算时间，俯仰角初始状态和俯仰角控制指令；步骤2，采用动态调整人工鱼移动步长策略，引入精英保留、鱼群繁殖和外部捕鱼行对标准鱼群算法进行改进，获得改进鱼群算法，过程为：1、采用变步长状态更新：在聚群行为中，将标准鱼群算法中采用固定步长Step进行状态更新的规则:Xc第i条人工鱼探索视觉感知范围内的其他人工鱼所处的中心状态；Xi_next为第i条人工鱼朝Xc移动后的状态改为变步长状态更2CN107300925A权利要求书2/3页新规则：Stepi为自适应移动步长；γ为速度因子；在追尾行为中，将标准鱼群算法中采用固定步长Step进行状态更新的规则：Ximax为在第i条人工鱼探索视觉感知范围内食物浓度值最大的人工鱼所处状态。改为变步长状态更新规则：在觅食行为中，将标准鱼群算法中采用固定步长Step进行状态更新的规则：Xrand为第i条人工鱼当前状态Xi的视觉范围内随机产生一个觅食状态。改为变步长状态更新规则：2、在标准鱼群算法单次迭代流程最后，引入精英保留、繁殖和人工捕鱼行为，提高收敛速度，增加跳出局部最优能力：所述精英保留行为：将所有人工鱼按食物浓度从大到小进行排序，按照精英保留个数参数Nelite将排序后的前Nelite个人工鱼直接保留到下一次迭代，不参与后续行为；所述繁殖行为：增加繁殖概率参数Prep，通过抽取随机数，判断Prep＜rand()是否成立不定期的触发繁殖行为。根据除精英个体以外的人工鱼的食物浓度计算每个人工鱼的选择概率随机抽取满足ipresel＝w,if的两条人工鱼执行繁殖行为获得一个新的人工鱼状态Xchild，并替换当前最差食物浓度处的人工鱼状态，并计算食物浓度；所述外界捕鱼行为：增加外部捕鱼概率参数Pcatch，通过抽取随机数，判断Pcatch＜rand()是否成立，不定期的触发外部捕鱼行为；根据捕鱼数量参数Ncatch，对食物浓度排序队列中k＝N-1-Ncatch,…,Ncatch的人工鱼状态重新初始化，并计算各新状态的食物浓度；步骤3、设置鱼群算法的人工鱼个数N、状态维数n、状态变量范围[Upk,Downk],i＝1,2,…,n，感知距离Visual、人工鱼移动的最大步长Step、速度因子γ、人工鱼拥挤度因子δ、人工鱼搜索食物浓度的尝试次数为try_number、最大迭代次数lmax、精英保留策略的鱼群个数为Nelite、繁殖概率为Prep、精英保留策略的鱼群个数为Nelite、外界捕鱼