基于物理效应分析和非线性度量混合建模策略

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1、第３６卷第６期系统工程与电子技术Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．６２０１４年６月ＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＪｕｎｅ２０１４文章编号：１００１－５０６Ｘ（２０１４）０６－１１３７－０９网址：ｗｗｗ．ｓｙｓ－ｅｌｅ．ｃｏｍ基于物理效应分析和非线性度量混合建模策略王岳，姜斌，陆宁云（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京２１００１６）摘要：对于存在多变量、非线性的现代复杂系统，混合建模策略是获得准确、可靠

2、模型的有效手段之一。在现有混合建模方法中，缺乏对先验模型和非参数模型建模目标的清晰界定，且在分析非参数模型时，对线性化方法的选择也缺乏统一的标准。针对上述问题，以四旋翼飞行器为应用对象，提出一种基于物理效应分析和非线性度量的混合建模策略，根据各类物理效应对飞行姿态的影响程度界定先验模型和非参数模型的建模目标，并根据各类物理效应的非线性程度运用模糊推理算法选择合适的线性化方法。实验结果证明了混合模型的可靠性和建模准确性。关键词：混合建模；物理效应；非线性度量；四旋翼飞行器中图分类号：ＴＰ２７３文献标志码：ＡＤＯＩ：１０．

3、３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－５０６Ｘ．２０１４．０６．１９ＨｙｂｒｉｄｍｏｄｅｌｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｙｂａｓｅｄｏｎｐｈｙｓｉｃａｌｅｆｆｅｃｔａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙｍｅａｓｕｒｅＷＡＮＧＹｕｅ，ＪＩＡＮＧＢｉｎ，ＬＵＮｉｎｇ－ｙｕｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｍｕｌｔｉｖａｒｉａｂｌｅａｎｄｎｏｎｌ

4、ｉｎｅａｒｍｏｄｅｒｎｃｏｍｐｌｅｘｓｙｓｔｅｍｓ，ａｈｙｂｒｉｄｍｏｄｅｌｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｙｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗａｙｓｔｏｇｅｔａｃｃｕｒａｔｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｍｏｄｅｌｓ．Ｉｎｔｈｏｓｅｅｘｉｓｔｉｎｇｈｙｂｒｉｄｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ，ｉｔｉｓｄｉｆ－ｆｉｃｕｌｔｔｏｃｌａｒｉｆｙｔｈｅｓｃｏｐｅｓｏｆｐｒｉｏｒｍｏｄｅｌｓａｎｄｎｏｎｐａｒａｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｒｅｉｓｌａｃｋｏｆｕｎｉｆｏｒｍｃｒｉｔｅｒｉｏｎｆｏｒｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉ

5、ｏｎｏｆｐｒｏｐｅｒｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｗｈｅｎａｎａｌｙｚｉｎｇｎｏｎｐａｒａｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｓ．Ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅａｂｏｖｅｉｓ－ｓｕｅｓ，ａｈｙｂｒｉｄｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｐｈｙｓｉｃａｌｅｆｆｅｃｔａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙｍｅａｓｕｒｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｑｕａｄｒｏｔｏｒｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ．Ｉｔｃｌａｒｉｆｉｅｓｔｈｅｓｃｏｐｅｓｏｆｔｈｅｐｒｉｏｒｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｎｏｎｐａｒａｍｅｔｒｉｃ

6、ｍｏｄｅｌａｃ－ｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｉｎｆｌｕｎｃｅｏｆｖａｒｉｏｕｓｐｈｙｓｉｃａｌｅｆｆｅｃｔｓｏｎｔｈｅｆｌｙｉｎｇａｔｔｉｔｕｄｅｓ；ａｎｄｕｓｅｓｔｈｅｆｕｚｚｙｉｎｆｅｒｅｎｃｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｔｏｓｅｌｅｃｔｐｒｏｐｅｒｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｎｏｎｌｉｎｅａｒｄｅｇｒｅｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｈｙｓｉｃａｌｅｆｆｅｃｔｓ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｈ

7、ｙｂｒｉｄｍｏｄｅｌｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｂｒｉｄｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｐｈｙｓｉｃａｌｅｆｆｅｃｔ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙｍｅａｓｕｒｅ；ｑｕａｄｒｏｔｏｒ０引言四旋翼飞行器是一种典型的现代复杂系统，相比于固定翼飞机，它具有更复杂的气动特性和更特殊的飞行状态，需要更高精度的数学模型和更稳健的控制律来保证飞行品质和飞行安全。四旋翼飞行器的传统建模方法可粗略分为机理建模和数据驱动建模［１］。文献［２］为了简化控制器设计，根据动量定理建立四旋翼飞行器的简化模型，但建模过程忽略了陀螺效应和空气阻力，使模

8、型的准确性大大降低。文献［３］推导了四旋翼飞行器动能、势能表达式，根据牛顿－欧拉公式和拉格朗日方程建立了机理模型。这种机理模型可以准确表达系统的内在联系，参数可解释性强，模型外延性好，但对于四旋翼飞行器这种存在多变量、非线性、强耦合的多输入多输出系统，建模难度大大增加。文献［４］将四旋翼飞行器看作黑箱系统，利用离线获得的观测数据