一种四旋翼变绳长吊挂系统的路径规划与减摆控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种四旋翼变绳长吊挂系统的路径规划与减摆控制方法，包括如下步骤：建立四旋翼的数学模型和所吊挂负载的摆动模型；基于所建立的模型，对四旋翼和负载的状态进行约束，根据约束条件计算样条曲线的参数，得到规划路径；根据得到的规划路径，利用二分法求出满足摆角约束条件的最小运输时间；采用基于积分反步的串级控制方法，通过跟踪所规划的路径，实现了负载的精确定位和负载的摆动角度抑制，在最短的时间内将负载送达预定位置。本发明专利技术所公开的方法通过规划一个合适的平面运动轨迹，使得整个吊挂系统可以在最短的时间从初始位置到达期望位置，同时保持负载的摆角被限制在较小的范围内，既提高了运输效率，又保证了运输的安全性。了运输的安全性。了运输的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种四旋翼变绳长吊挂系统的路径规划与减摆控制方法


[0001]本专利技术涉及一种四旋翼控制方法，特别涉及一种四旋翼变绳长吊挂系统的路径规划与减摆控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，四旋翼飞行器悬挂操纵装置已成为研究热点，并广泛应用于商业和科学领域。通常，操纵装置主要分为四种类型：夹持器、机械手、缆绳和其他类，不同的操纵装置适用于不同的应用场景。单自由度夹持器是使用最广泛的操纵装置，它直接安装在四旋翼无人机的机身上或机身下。这种操纵装置有三个优点：(1)易于制造，(2)建模和控制比较方便，(3)造价相对便宜。机械手主要由两部分组成：附在无人机机身上的一个或多个多自由度手臂和带有各种传感器的抓手，一般来说，手臂和夹持器由伺服电机驱动。相对于夹持器而言，机械手显著扩展了工作空间，并且可以利用机械手的冗余度来补偿无人机运动的位置误差。对于复杂的任务来说，这是一个更好的选择。然而在利用四旋翼无人机运输货物时，缆绳会被更多的使用，因为它具有质量轻，适用范围广，更容易被广大用户接受等特点，所以在执行一般性的运输任务中，缆绳会成为首选。除了以上三种类型的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四旋翼变绳长吊挂系统的路径规划与减摆控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，建立四旋翼的数学模型和所吊挂负载的摆动模型；步骤二，基于所建立的模型，对四旋翼和负载的初始状态、结束状态，以及负载的摆动角度和摆动速度进行约束，利用5阶参数未知的三角样条曲线和4阶参数未知的三角样条曲线对四旋翼和负载的期望位置进行参数化，根据初始状态和结束状态的约束条件计算三角样条曲线的参数，得到满足状态约束的规划路径；步骤三，根据得到的规划路径，利用负载的摆角与规划路径之间的关系，利用二分法求出满足摆动角度和摆动速度约束条件的最小运输时间；步骤四，采用基于积分反步的串级控制方法，外环控制四旋翼的水平位置，内环控制四旋翼的姿态和高度，通过跟踪所规划的路径，实现了负载的精确定位和负载的摆动角度抑制，在最短的时间内将负载送达预定位置。2.根据权利要求1所述的一种四旋翼变绳长吊挂系统的路径规划与减摆控制方法，其特征在于，步骤一的具体方法如下：(1)首先建立坐标系，包括惯性坐标系{I}＝{X
I
,Y
I
,Z
I
}，四旋翼固定坐标系{B}＝{X
B
,Y
B
,Z
B
}和负载坐标系{H}＝{X
H
,Y
H
,Z
H
}，并假设负载坐标系原点与四旋翼固定坐标系重合，方向始终与惯性坐标系平行，所有坐标系的方向都遵循右手定则；(2)建立四旋翼的数学模型：其中，ω
x
，ω
y
，ω
z
为四旋翼在x，y，z轴的姿态角速度，为四旋翼在x，y，z轴的姿态角加速度，J
x
，J
y
，J
z
为四旋翼在x，y，z轴的转动惯量，J
r
为整个电机转子和螺旋桨绕转轴的总转动惯量，Ω
r
为螺旋桨角速度的矢量和，d为电机中心到四旋翼中心的距离，为四旋翼在x，y，z方向上的加速度，欧拉角Θ＝[φ,θ,ψ]
T
表示四旋翼的滚转角，俯仰角和偏航角，U1,U2,U3,U4为输入控制量，f
ox
,f
oy
,f
oz
为吊绳对四旋翼的拉力在坐标轴方向上的分量，M为四旋翼的质量，g为重力加速度；(3)建立负载的摆动模型：将负载看作一个运动的质点，将其摆角分解为投影到两个平面内与竖直方向的夹角，其中，α为吊绳在X
H
O
H
Z
H
平面内的投影与竖直方向的夹角，β为吊绳在Y
H
O
H
Z
H
平面内的投影与竖直方向的夹角；此外，吊绳长度的变化被认为是均匀的，即其一阶导数是一个常数，其二阶导数为零；空间中，负载在惯性坐标系下的位置表示为：
其中，为负载在惯性坐标系下的位置，为四旋翼在惯性坐标系下的位置，为负载在负载坐标系中的位置，R
P
为负载坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵，其具体形式为Rot(α),Rot(β)分别表示在负载坐标系中，负载围绕X
H
轴转β度和围绕Y
H
转α度的旋转矩阵；将公式(3)带入到公式(2)中后，最终负载在惯性坐标系下的位置表示为其中，s
i
＝sin(i),c
i
＝cos(i)，L表示吊绳的长度，(x，y，z)代表四旋翼在惯性坐标系下的位置；对公式(4)求二阶导数，可得其中，表示负载在惯性坐标系x，y，z方向上的加速度，为α的摆动速度，为β的摆动速度，为α的加速度，为β的加速度，为绳长变化率；设吊绳上的拉力为f，则在惯性坐标系下拉力f沿各轴的分量为[
‑
fs
α
c
β
,fs
β
,
‑
fc
α
c
β
]；根据牛顿第二定律：其中，m为负载的质量；消去中间变量f，可得吊绳长度变化时负载的摆动模型为：消去中间变量f，可得吊绳长度变化时负载的摆动模型为：3.根据权利要求2所述的一种四旋翼变绳长吊挂系统的路径规划与减摆控制方法，其特征在于，步骤二的具体方法如下：设四旋翼的初始水平位置为x(0)＝x
r0
,y(0)＝y
r0
,负载的初始水...

【专利技术属性】
技术研发人员：张栋，杨云霄，郗厚印，韩衡志，胡玉斌，张国庆，张学智，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：