基于能量法的四旋翼无人机吊挂飞行系统控制方法技术方案

本发明专利技术涉及四旋翼无人机负载飞行的控制，为提出一种基于能量法的非线性控制器，实现控制四旋翼无人机位置的同时较好地抑制吊挂负载在飞行中的摆动。本发明专利技术采用的技术方案是，基于能量法的四旋翼无人机吊挂飞行系统控制方法，在设置有用于吊载物品的吊绳的无人机上实现，步骤是，建立飞行过程的非线性动力学模型，设计控制器，基于能量函数方法设计李亚普诺夫方程，运用李亚普诺夫分析方法与拉塞尔不变集理论证明提出的控制器使得四旋翼无人机渐近收敛到目标位置，同时使得摆角渐近收敛到0，进而实现无人机控制。本发明专利技术主要应用于四旋翼无人机负载飞行控制。

Control method of four rotor UAV's suspension flight system based on energy method

【技术实现步骤摘要】
基于能量法的四旋翼无人机吊挂飞行系统控制方法
本专利技术涉及一种四旋翼无人机负载飞行的控制方法，特别是涉及四旋翼无人机以吊挂方式负载物体飞行的控制方法。
技术介绍
四旋翼无人机是一种多旋翼结构的飞行器。微型无人机以其在自然灾害中查险救援，警用及军用任务，农业施肥等领域发挥的重大作用，引起科研人员的广泛关注。无人机吊挂飞行是将微型无人机运用于各种具体任务的重要实现方式。近年来，无人机吊挂飞行的问题日益得到国内外高校和研究团队的关注。目前国内研究人员的相关研究工作多为针对全尺寸直升机吊挂飞行中，面向飞行员的操作控制性性能问题，以及针对吊挂绳索和吊挂载荷的空气动力学特性分析问题(期刊：南京航空航天大学学报；著者：齐万涛，陈仁良；出版年月：2011年；文章题目：直升机吊挂飞行稳定性和操纵性分析；页码：406-412)。而对微、小型多旋翼无人机的吊挂飞行问题涉及相对较少。国外研究人员针对无人机直升机吊挂飞行的问题提出了多种不同的控制方法。其中，美国宾夕法尼亚大学的研究人员较早开展了这方向的研究工作，并已取得了一些前期的研究成果。其其研究人员利用几何控制(geometriccontrol)和微分平滑方法，达到了四旋翼无人机吊挂系统几乎全局指数稳定的控制效果(会议：Proceedingsofthe52ndIEEEConferenceonDecisionandControl；著者：KoushilSreenath，TaeyoungLee，VijayKumar；出版年月：2013年；文章题目：GeometriccontrolanddifferentialflatnessofaquadrotorUAVwithacable-suspendedload；页码：2269-2274)。另外，基于微分平滑(differentialflatness)方法设计了针对平面四旋翼无人机吊挂系统的控制器，实现了针对四旋翼无人机吊挂系统的轨迹生成和跟踪，并将这种控制方法扩展到三维环境(会议：ProceedingsoftheIEEEConferenceonRoboticsandAutomation(ICRA)；著者：KoushilSreenath，NathanMichael，VijayKumar；出版年月：2013年；文章题目：Trajectorygenerationandcontrolofaquadrotorwithacable-suspendedload-Adifferentially-flathybridsystem；页码4888-4895)。然而其所设计的控制器结构较为复杂，并且需要无人机飞行状态的高阶导数项，在运算能力有限的无人机机载控制器上实现存在一定的困难。美国新墨西哥大学同样在无人机吊挂飞行领域取得了较多科研成果。其研究人员利用动态规划(dynamicprogramming)算法实现了四旋翼无人机吊挂飞行的轨迹跟踪(会议：ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation(ICRA)；著者：IvanaPalunko，RafaelFierro，andPatricioCruz；出版年月：2012年；文章题目：Trajectorygenerationforswing-freemaneuversofaquadrotorwithsuspendedpayload:adynamicprogrammingapproach；页码：2691-2697)。另外，其研究人员利用强化学习(reinforcementlearning)的方法，实现了通过对四旋翼飞行器位置和姿态的调整达到对吊挂负载的轨迹进行规划的目的(会议：ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation(ICRA)；著者：IvanaPalunko，AleksandraFaust，PatricioCruz，LydiaTapia，andRafaelFierro；出版年月：2013；文章题目：AReinforcementLearningApproachTowardsAutonomousSuspendedLoadManipulationUsingAerialRobots；页码：4896-4901)。虽然其设计的轨迹规划方法都较好的实现了减小吊挂摆动的目的，然而飞行系统仍要依赖优越的控制算法才能实现对设计轨道的有效跟踪。另外一些研究团队将不同的控制思想应用于无人机吊挂系统的分析和研究。例如，一些研究人员基于模糊理论设计了一种新型控制器，实现了无人直升机吊挂系统在平衡点附近的抗摆控制，并通过与经典模糊PD控制器的对比，表明该控制器具有良好的控制效果(期刊：AerospaceScienceandTechnology；著者：HanafyM。Omar；文章题目：Designinganti-swingfuzzycontrollerforhelicopterslung-loadsystemnearhoverbyparticleswarms；页码：223-234)。但文中并未给出较为严格的稳定性分析和收敛性证明。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种基于能量法的非线性控制器，实现控制四旋翼无人机位置的同时较好地抑制吊挂负载在飞行中的摆动。本专利技术采用的技术方案是，基于能量法的四旋翼无人机吊挂飞行系统控制方法，在设置有用于吊载物品的吊绳的无人机上实现，步骤是，建立飞行过程的非线性动力学模型，设计控制器，基于能量函数方法设计李亚普诺夫方程，运用李亚普诺夫分析方法与拉塞尔不变集理论证明提出的控制器使得四旋翼无人机渐近收敛到目标位置，同时使得摆角渐近收敛到0，进而实现无人机控制。具体步骤是，首先通过分别对四旋翼无人机吊挂飞行过程中的无人机和吊挂物体分别进行受力分析，从而获得四旋翼无人机吊挂飞行过程的非线性动力学模型：式(1)中各变量定义如下：mQ和mL分别为四旋翼无人机和负载的质量，L为绳长，γ为绳索与竖直方向的夹角，g为重力加速度，(xQ,zQ)为四旋翼飞行器在二维空间中的位置坐标，Fnx和Fny分别为：式(2)中，F为四旋翼无人机提供的总升力，θ为其俯仰角；吊挂绳索上的张力大小T的表达式如下：其中Fx＝Fsin(θ),Fz＝Fcos(θ)。之后提出针对如式(1)所示系统的控制器设计：式(4)中，各符号含义如下：式(5)中k,kp,kQ,kL均为控制增益，控制增益中的kp与k分别代表控制器的比例项与微分项，控制增益kQ与kL分别代表飞行器位置、速度误差与负载位置、速度误差在控制策略中所占的比重；ex和ez分别表示四旋翼飞行器在x轴和z轴方向上的位置误差ex＝xQ-xd，ez＝zQ-zd，(xd,zd)为四旋翼飞行器的目标位置。对控制器渐近收敛特性进行证明的步骤是：分别参考系统中四旋翼无人机和吊挂负载的机械能变化情况，构建辅助本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于能量法的四旋翼无人机吊挂飞行系统控制方法，其特征是，在设置有用于吊载物品的吊绳的无人机上实现，步骤是，建立飞行过程的非线性动力学模型，设计控制器，基于能量函数方法设计李亚普诺夫方程，运用李亚普诺夫分析方法与拉塞尔不变集理论证明提出的控制器使得四旋翼无人机渐近收敛到目标位置，同时使得摆角渐近收敛到0，进而实现无人机控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于能量法的四旋翼无人机吊挂飞行系统控制方法，其特征是，在设置有用于吊载物品的吊绳的无人机上实现，步骤是，建立飞行过程的非线性动力学模型，设计控制器，基于能量函数方法设计李亚普诺夫方程，运用李亚普诺夫分析方法与拉塞尔不变集理论证明提出的控制器使得四旋翼无人机渐近收敛到目标位置，同时使得摆角渐近收敛到0，进而实现无人机控制。


2.如权利要求1所述的基于能量法的四旋翼无人机吊挂飞行系统控制方法，其特征是，具体步骤是，首先通过分别对四旋翼无人机吊挂飞行过程中的无人机和吊挂物体分别进行受力分析，从而获得四旋翼无人机吊挂飞行过程的非线性动力学模型：



式(1)中各变量定义如下：mQ和mL分别为四旋翼无人机和负载的质量，L为绳长，γ为绳索与竖直方向的夹角，g为重力加速度，(xQ,zQ)为四旋翼飞行器在二维空间中的位置坐标，Fnx和Fny分别为：



式(2)中，F为四旋翼无人机提供的总升力，θ为其俯仰角；
吊挂绳索上的张力大小T的表达式如下：



其中Fx＝Fsin(θ),Fz＝Fcos(θ)。
之后提出针对如式(1)所示系统的控制器设计：



式(4)中，各符号含义如下：



式(5)中k,kp,kQ,kL均为控制增益，控制增益中的kp与k分别代表控制器的比例项与微分项，控制增益kQ与kL分别代表飞行器位置、速度误差与负载位置、速度误差在控制策略中所占的比重；ex和ez分别表示四旋翼飞行器在x轴和z轴方向上的位置误差ex＝xQ-xd，ez＝zQ-zd，(xd,zd)为四旋翼飞行器的目标位置。


3.如权利要求1所述的基于能量法的四旋翼无人机吊挂飞行系统控制方法，其特征是，对控制器渐近收敛特性进行证明的步骤是：分别参考系统中四旋翼无人机和吊挂负载的机械能变化情况，构建辅助函数：


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【专利技术属性】
技术研发人员：鲜斌，杨森，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12