一种绳系多无人机协同操作系统的预设时间控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种绳系多无人机协同操作系统的预设时间控制方法。首先基于Udwadia

【技术实现步骤摘要】
一种绳系多无人机协同操作系统的预设时间控制方法


[0001]本专利技术属于机器人领域，具体涉及一种无人机控制方法。

技术介绍

[0002]旋翼无人机因为其强机动性、垂直起飞降落以及成本低廉等特性，受到国内外科研工作者的广泛研究。旋翼无人机已经成功应用于商业表演、影视拍摄、安保监视、国防军事等领域，在货物运输、灾害救援等领域的应用研究也取得了显著的成果。近年来，受直升机系绳悬挂式救援、物资运输等操作，绳驱并联机器人等应用的启发，以及旋翼无人机技术的成熟，绳系多无人机协同操作系统应运而生。绳系多无人机协同操作系统具有广阔的应用前景，比如城市高楼火灾救援，物资定点投放，搜救，环境监视，矿产资源勘探等。绳系多无人机协同操作系统由无人机、系绳、悬挂重物三部分组成，其中无人机和悬挂重物通过系绳互相连接。因此，绳系多无人机协同操作系统是一种高度非线性、强耦合以及双重欠驱动系统，实现其快速稳定控制具有理论和实际意义。
[0003]绳系多无人机协同操作系统的参数几何构型设计、旋量可行工作空间分析、运动规划以及动力学控制方面受到一定研究并取得了一些进展。在动力学控制方面，主要有两种设计思路：1)、根据绳系多无人机协同操作系统的运动学或者利用哈密顿原理得到协同操作系统广义坐标(包含悬挂载荷的位姿状态)与无人机升力之间的动力学关系，实现悬挂载荷的主动位姿控制；2)、将悬挂载荷通过系绳对无人机产生的拉力视为对无人机的外界扰动，通过主动控制无人机的位姿，实现悬挂载荷位姿的间接控制。第一种设计思路需要测量悬挂载荷的位姿以及系绳的姿态角，且设计的控制律是集中式的，基于该方法绳系多无人机协同操作系统在室外应用不现实。第二种设计思路忽视了绳系多无人机协同操作系统的强耦合性以及欠驱动特性，不能有效抑制悬挂载荷的振动。并且，现有关于绳系多无人机协同操作系统的控制普遍采用渐进收敛方法。绳系多无人机协同操作系统往往要求在预定时间内完成操作任务，且由于系绳单向力特性导致悬挂载荷控制鲁棒性低。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种绳系多无人机协同操作系统的预设时间控制方法。首先基于Udwadia-Kalaba方程，建立绳系多无人机协同操作系统的非线性耦合动力学模型；然后基于拉力优化分配的规划无人机航迹；接下来基于固定时间收敛定理设计固定时间非奇异终端滑模面；最后基于滑模面，设计预设时间协同跟踪控制律。本专利技术方法能够解决绳系多无人机协同操作系统的鲁棒快速稳定控制问题，并能够解决具有快速收敛性能要求的控制问题。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
[0006]步骤1：基于Udwadia-Kalaba方程，建立绳系多无人机协同操作系统的非线性耦合动力学模型；
[0007]建立OXYZ地面惯性系，OX轴指向东，OZ轴竖直向上，OY轴与其他两个轴满足右手螺
旋定理；建立o
i
x
i
y
i
z
i
为i
th
无人机本体坐标系，设定原点o
i
位于i
th
无人机质心处，o
i
x
i
轴沿无人机运动方向，o
i
z
i
轴垂直于无人竖直向上，o
i
y
i
轴与其他两个轴满足右手螺旋定理；
[0008]假定：1)、飞行阶段系绳处于张紧状态；2)、系统惯性参数变化忽略不计；3)、系绳质量忽略不计且不可拉伸；4)、悬挂载荷为质点；5)、系绳连接在无人机的质心处；
[0009]根据牛顿-欧拉法，得到系统中悬挂载荷的动力学模型如式(1)所示：
[0010][0011]其中，m
L
为悬挂载荷的质量，r
L
为悬挂载荷在地面惯性系OXYZ下的位置，为r
L
的二阶导数，g为重力加速度，e3为OZ轴方向的单位向量，T
i
为系绳i的拉力，ξ
i
为沿悬挂载荷到原点o
i
的系绳i的方向向量，N为无人机数量；
[0012]根据牛顿-欧拉法，得到系统中i
th
无人机的动力学模型如下所示：
[0013][0014]其中，m
i
为无人机i的质量，r
i
为无人机i在惯性系OXYZ下的位置，为r
i
的二阶导数，f
i
为无人机的升力，R
i
为无人机本体系o
i
x
i
y
i
z
i
到惯性系OXYZ的旋转矩阵；
[0015]R
i
矩阵表达如下：
[0016][0017]其中，s和c分别是正弦函数sin和余弦函数cos的简写；φ
i
，θ
i
和ψ
i
分别是无人机i的滚转角、俯仰角和偏航角；
[0018]系绳连接在无人机的质心处，因此无人机的转动动力学在整个系统中处于解耦状态；i
th
无人机的转动动力学方程为：
[0019][0020]其中，和分别是φ
i
、θ
i
和ψ
i
的一阶导数，和分别是φ
i
、θ
i
和ψ
i
的二阶导数，l
i
是电机中心到i
th
无人机本体系o
i
x
i
y
i
z
i
原点之间的距离，u
2i
，u
3i
和u
4i
分别是无人机姿态控制三个方向的输入，I
xi
、I
yi
和I
zi
分别是无人机沿本体系三个方向轴的转动惯量；
[0021]无人机的跟踪控制采用内外环的双环控制模式，外环为位置控制环，使无人机实现对期望轨迹的跟踪，并且产生内环的期望姿态信号；内环为姿态控制环，实现外环期望的升力指向；根据式(2)和式(3)，得到内环跟踪指令：
[0022][0023]其中，f
i,d
、φ
i,d
、θ
i,d
和ψ
i,d
分别是f
i
、φ
i
、θ
i
和ψ
i
的期望值；u
i
＝f
i
R
i
e3＝[u
xi
；u
yi
；u
zi
]；
[0024]对于一个绳系多无人机协同操作系统，所有无人机通过系绳与一个共同的悬挂载荷相连；因此，式(1)和(2)中的系绳拉力T
i
ξ
i
是一个与无人机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种绳系多无人机协同操作系统的预设时间控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于Udwadia-Kalaba方程，建立绳系多无人机协同操作系统的非线性耦合动力学模型；建立OXYZ地面惯性系，OX轴指向东，OZ轴竖直向上，OY轴与其他两个轴满足右手螺旋定理；建立o
i
x
i
y
i
z
i
为i
th
无人机本体坐标系，设定原点o
i
位于i
th
无人机质心处，o
i
x
i
轴沿无人机运动方向，o
i
z
i
轴垂直于无人竖直向上，o
i
y
i
轴与其他两个轴满足右手螺旋定理；假定：1)、飞行阶段系绳处于张紧状态；2)、系统惯性参数变化忽略不计；3)、系绳质量忽略不计且不可拉伸；4)、悬挂载荷为质点；5)、系绳连接在无人机的质心处；根据牛顿-欧拉法，得到系统中悬挂载荷的动力学模型如式(1)所示：其中，m
L
为悬挂载荷的质量，r
L
为悬挂载荷在地面惯性系OXYZ下的位置，为r
L
的二阶导数，g为重力加速度，e3为OZ轴方向的单位向量，T
i
为系绳i的拉力，ξ
i
为沿悬挂载荷到原点o
i
的系绳i的方向向量，N为无人机数量；根据牛顿-欧拉法，得到系统中i
th
无人机的动力学模型如下所示：其中，m
i
为无人机i的质量，r
i
为无人机i在惯性系OXYZ下的位置，为r
i
的二阶导数，f
i
为无人机的升力，R
i
为无人机本体系o
i
x
i
y
i
z
i
到惯性系OXYZ的旋转矩阵；R
i
矩阵表达如下：其中，s和c分别是正弦函数sin和余弦函数cos的简写；φ
i
，θ
i
和ψ
i
分别是无人机i的滚转角、俯仰角和偏航角；系绳连接在无人机的质心处，因此无人机的转动动力学在整个系统中处于解耦状态；i
th
无人机的转动动力学方程为：其中，和分别是φ
i
、θ
i
和ψ
i
的一阶导数，和分别是φ
i
、θ
i
和ψ
i
的二阶导数，l
i
是电机中心到i
th
无人机本体系o
i
x
i
y
i
z
i
原点之间的距离，u
2i
，u
3i
和u
4i
分别是无人机姿态控制三个方向的输入，I
xi
、I
yi
和I
zi
分别是无人机沿本体系三个方向轴的转动惯量；无人机的跟踪控制采用内外环的双环控制模式，外环为位置控制环，使无人机实现对期望轨迹的跟踪，并且产生内环的期望姿态信号；内环为姿态控制环，实现外环期望的升力指向；根据式(2)和式(3)，得到内环跟踪指令：
其中，f
i,d
、φ
i,d
、θ
i,d
和ψ
i,d
分别是f
i
、φ
i
、θ
i
和ψ
i
的期望值；u
i
＝f
i
R
i
e3＝[u
xi
；u
yi
；u
zi
]；对于一个绳系多无人机协...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄攀峰，刘亚，张帆，张夷斋，马志强，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：