非线性信息融合控制算法及其在多旋翼无人机中的应用

Information Fusion Control (IFC) is a kind of optimal control algorithm based on information fusion estimation theory. The traditional quadratic optimal control algorithms are not suitable for processing the control system with nonlinear feature, input constraints, limited state, and state time-delay. IFC algorithms translate all the requirements of control system and various constraints into the "measuring information" about control value, and then estimate the control quantity by information fusion estimation method. IFC algorithms can use the information more completely and have a broader adaptation.This project will further study the basic properties of the nonlinear IFC system and the specific algorithms for engineering applications based on the completed project "Research for the Principle of the IFC Algorithms and Experimental Verification" supported by National Natural Science Foundation of China.The main research contents include: (1) the convergence, stability and robustness analysis of the nonlinear discrete IFC system,(2) the controllability and decoupling of the nonlinear IFC system，and the adaptive adjustment algorithm for the information weight matrix of control value,(3) the recursive algorithm for information weight matrix of co-states to avoid matrix inversion, and (4) constructing digital simulation platform for IFC system, and half-physical flight control experiment platform for unmanned aerial vehicle with multi-rotor, and carrying out the experimental research for the flight test of unmanned aircraft with multi-rotor based on the IFC algotithms.

信息融合控制是一种基于信息融合估计理论的最优控制算法。传统二次型最优控制算法不适合处理输入受限、状态受限、状态时滞以及非线性系统的情况。信息融合控制把对控制系统的所有要求以及各种约束全部转化为关于控制量的"量测信息"，通过信息融合估计的方法估计出控制量。信息融合控制使能够利用的信息更全，适应面更广。本项目在已完成的国家自然科学基金项目"信息融合预见控制算法原理及实验验证研究"的基础上，进一步研究非线性信息融合控制系统的基本性质及其工程应用算法。主要研究内容包括：(1) 非线性离散信息融合控制系统的收敛性、稳定性和鲁棒性分析；(2) 非线性信息融合控制系统的可控性、解耦性以及控制量信息权阵的自适应调节算法；（3）协状态信息权阵的抗奇异递推算法；（4）建设信息融合控制系统全数字仿真平台，搭建多旋翼无人机半物理飞行控制实验平台，开展基于信息融合控制的多旋翼无人机飞行控制相关试飞实验。

非线性信息融合控制是一种基于信息融合估计理论的最优控制算法。传统的二次型最优控制算法不适合处理非线性系统、输入受限、状态受限以及状态时滞等情况。非线性信息融合控制把对控制系统的所有要求以及各种约束全部转化为关于控制量的“量测信息”，通过信息融合估计的方法估计出控制量。信息融合控制利用的信息更全面，适应面更广。本项目在已完成的国家自然科学基金项目“信息融合预见控制算法原理及实验验证研究”的基础上，进一步对非线性信息融合控制系统的如下几个方面展开了研究：（1）非线性信息融合控制系统的收敛性、稳定性及鲁棒性分析；（2）非线性信息融合控制系统的可控性、解耦性以及控制量信息权阵的自适应调节算法；（3）避免矩阵求逆的协状态信息权阵的递推算法；（4）多旋翼无人机半物理信息融合飞行控制实验平台。项目研究了非线性信息融合控制系统的基本性质，得到了有关系统收敛性、稳定性及鲁棒性的若干条件和判定依据，提出了几种欠驱动非线性系统信息融合解耦控制策略，控制量信息权阵的自适应调节算法以及避免矩阵求逆的协状态信息权阵计算方法，搭建了多旋翼无人机信息融合全数字飞行控制仿真平台，进行了多旋翼无人机非线性信息融合飞行控制算法验证实验，实验结果显示非线性信息融合控制算法具有快速收敛、较高控制精度以及较强的鲁棒性，具有良好的工程化应用前景。本课题的研究内容符合科学发展的必然趋势，创新性地将信息融合技术与实际控制问题相结合进行研究，一方面有利于推动信息融合技术与最优控制理论以及智能控制理论的发展和应用，另一方面有利于学科之间的相互交融，促进和发展。