一种四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与负载摆动抑制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与负载摆动抑制方法，属于无人机飞行控制技术领域，针对外部环境不确定因素的影响，提出了基于自适应多层神经网络补偿干扰估计器误差的鲁棒控制策略，在负载摆动干扰和风扰动情况下实现对预设轨迹的精确跟踪；针对精确的负载运输与投放任务需求，利用平坦输出来表示系统的所有状态，建立负载运动轨迹到无人机运动轨迹的映射关系，使得无人机驱使负载以期望的轨迹运动；针对系统飞行时存在的负载摆动以及无人机悬停时存在的负载残留振荡问题，提出了一种基于ZVDD整形器的负载摆动抑制技术，降低负载摆动。降低负载摆动。降低负载摆动。

【技术实现步骤摘要】
一种四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与负载摆动抑制方法


[0001]本专利技术属于无人机飞行控制
，具体涉及一种面向运输任务的四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与负载摆动抑制方法。

技术介绍

[0002]四旋翼无人机作为一种高度集成的无人机，具有结构简单、能垂直起降以及低速飞行等优点，已经被广泛运用于货物搬运等领域；其中，采用吊挂负载方式可以实现更高效的货物运输，近年来成为了国内外学者的研究重点。
[0003]运输任务的顺利实现要求四旋翼无人机飞行控制系统具有很强的控制精度和鲁棒性，例如四旋翼无人机执行货物运送任务时需要具备抗风能力以应对各种不利天气；此外飞行过程中的吊挂负载摆动会显著影响飞控系统的稳定性，同时到达目标点后存在的残留振荡也会降低运输任务的完成质量。
[0004]因此，研究四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与摆角抑制方法，保证无人机精确跟踪期望轨迹的同时实现负载摆动抑制，对提升作业任务质量和拓展无人机应用场景具有重要的实践应用价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与负载摆动抑制方法，保证了无人机精确跟踪期望轨迹的同时实现负载摆动抑制。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与负载摆动抑制方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：利用牛顿
‑
欧拉法和欧拉
‑
拉格朗日能量法建立四旋翼无人机吊挂载荷系统的动力学模型；
[0009]步骤二：采用串级轨迹跟踪控制策略，将负载摆动考虑为对无人机的干扰，将系统解耦为外环位置控制回路和内环姿态控制回路，并分别针对两回路中存在的外部集总干扰，设计了干扰估计器以提高飞行控制系统的鲁棒性；针对外环位置环干扰估计器存在较大干扰估计偏差问题，设计了多层自适应神经网络输出补偿策略来降低估计误差，提高了系统的跟踪精度；
[0010]步骤三：利用系统微分平坦原理的负载轨迹生成技术，将负载位置与无人机的偏航角信息作为四旋翼无人机吊挂载荷系统的平坦输出，利用平坦输出及其高阶导数来表示系统的所有状态，建立负载运动轨迹到无人机运动轨迹的映射关系，同时生成负载期望轨迹；
[0011]步骤四：针对系统飞行时存在的负载摆动以及无人机悬停时存在的负载残留振荡问题，设计一种ZVDD整形器，实现系统残余振荡的抑制；映射至无人机的期望轨迹，无人机
驱使负载以期望的轨迹运动。
[0012]有益效果：本专利技术提供了一种四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与负载摆动抑制方法，针对基于非线性控制技术来设计控制器难以保证系统稳定，存在对噪声与干扰的鲁棒性不强、无法完全消除稳态误差等问题，本专利技术旨在为四旋翼无人机吊挂载荷系统顺利实现运输任务提供了一种的新的解决方法，采用内外环串级控制技术，提升对外部集总干扰的鲁棒性；针对系统飞行时存在的负载摆动以及无人机悬停时存在的负载残留振荡问题，提出了利用系统微分平坦原理，将负载位置与无人机的偏航角信息作为四旋翼无人机吊挂载荷系统的平坦输出，利用平坦输出及其高阶导数来表示系统的所有状态，建立负载运动轨迹到无人机运动轨迹的映射关系，生成负载的期望轨迹；利用输入整形技术实现系统残余振荡的抑制；利用建立的映射关系解算得到四旋翼无人机的期望轨迹信号；仿真实验结果表明，对于四旋翼无人机吊挂载荷系统，本专利技术能有效实现系统在外部多源干扰下的运输任务，并提供良好的控制精度与鲁棒性；能够有效实现其通过对预设轨迹的跟踪控制品质，并实现负载摆动抑制，可以为面向运输任务的四旋翼无人机吊挂载荷系统提供完备的控制策略。
附图说明
[0013]图1为本专利技术实施例中四旋翼无人机吊挂载荷系统刚体模型示意图；
[0014]图2为本专利技术实施例中姿态回路控制器框图；
[0015]图3为本专利技术实施例中位置回路控制器框图；
[0016]图4为本专利技术实施例中用于补偿集总干扰估计误差的多层神经网络结构图；
[0017]图5为本专利技术实施例中姿态回路仿真实验图；
[0018]图6为本专利技术实施例中位置回路仿真实验图；
[0019]图7为本专利技术实施例中输入整形原理图；
[0020]图8为本专利技术实施例中对照组：四旋翼无人机位置跟踪示意图；
[0021]图9为本专利技术实施例中实验组：四旋翼无人机位置跟踪示意图；
[0022]图10为本专利技术实施例中对照组：四旋翼无人机姿态跟踪示意图；
[0023]图11为本专利技术实施例中实验组：四旋翼无人机姿态跟踪示意图；
[0024]图12为本专利技术实施例中对照组与实验组φ
L
状态对比图；
[0025]图13为本专利技术实施例中对照组与实验组θ
L
状态对比图
[0026]图14为本专利技术实施例中四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与负载摆动抑制综合控制技术示意图。
具体实施方式
[0027]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明：
[0028]如图14所示，一种四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与负载摆动抑制方法，具体包括以下步骤：
[0029]1、基于自适应神经网络的四旋翼无人机轨迹跟踪控制技术
[0030](1)四旋翼无人机吊挂载荷系统建模
[0031]四旋翼无人机执行负载作业任务涉及诸多性能指标和参数，如飞行时对预设轨迹
跟踪的稳态误差、抗干扰性，这些性能指标要求和参数范围直接决定了无人机能否安全快速将负载运输至目标地点，系统刚体模型如图1所示，首先将四旋翼无人机的六自由度刚体动力学模型表达为：
[0032][0033]其中，F代表四电机提供的垂直方向升力；[τ
φ τ
θ τ
ψ
]T
代表沿着机体轴三方向的转动力矩；[x y z]T
代表四旋翼无人机在惯性坐标系下的位置；[φ θ ψ]T
为旋转姿态角；m
Q
为无人机总质量；g为重力加速度；I
xx
、I
yy
、I
zz
分别代表沿着机体坐标系三方向的惯性力矩；J代表旋转惯性矩阵，d
φ
代表俯仰角通道集总干扰，d
θ
代表横滚角通道集总干扰，d
ψ
代表偏航角通道集总干扰，d
x
代表x通道集总干扰，d
y
代表y通道集总干扰，d
z
代表z通道集总干扰。
[0034]结合公式(1)，利用欧拉
‑
拉格朗日能量法建立的四旋翼无人机吊挂载荷系统运动学模型为
[0035][0036]其中，m
Q
为四旋翼无人机的质量；m
L
为负载的质量；F为四电机提供垂直方向升力；D
Q
为四旋翼无人机飞行过程中受到的集总干扰向量；D
L
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与负载摆动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：利用牛顿
‑
欧拉法和欧拉
‑
拉格朗日能量法建立四旋翼无人机吊挂载荷系统的动力学模型；步骤二：采用串级轨迹跟踪控制策略，将系统解耦为外环位置控制回路和内环姿态控制回路，并分别针对两回路中存在的外部集总干扰，设计干扰估计器；针对外环位置干扰估计器存在较大干扰估计偏差问题，设计自适应多层神经网络输出补偿策略来降低估计误差；步骤三：利用系统微分平坦原理的负载轨迹生成技术，将负载位置与无人机的偏航角信息作为四旋翼无人机吊挂载荷系统的平坦输出，利用平坦输出及其高阶导数来表示系统的所有状态，建立负载运动轨迹到无人机运动轨迹的映射关系；步骤四：针对系统飞行时存在的负载摆动以及无人机悬停时存在的负载残留振荡问题，设计整形器实现系统残余振荡的抑制，无人机驱使负载以期望的轨迹运动。2.根据权利要求1所述的四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与负载摆动抑制方法，其特征在于，步骤一中建立的四旋翼无人机吊挂载荷系统的动力学模型为：其中，m
Q
为四旋翼无人机的质量；m
L
为负载的质量；F为四电机提供垂直方向升力；D
Q
为四旋翼无人机飞行过程中受到的集总干扰向量；D
L
为负载飞行过程中受到的集总干扰向量；T为拉力向量；G为重力向量[0 0 g]
T
，g为重力加速度；P＝[x y z]
T
为无人机在大地坐标系下的位置向量；P
L
＝[x
L y
L z
L
]
T
为负载在大地坐标系下的位置向量。3.根据权利要求1或2所述的四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与负载摆动抑制方法，其特征在于，步骤二中内环姿态控制回路中姿态子系统集总干扰表示为：选取姿态子系统滤波器跟踪误差为：其中，λ
Θ
是非负的设计参数，对公式(5)求导并结合公式(3)、(4)，得到设计姿态鲁棒控制律逼近姿态回路集总干扰，将其代入公式(6)得利用反馈线性化设计其中k
Θ
为非负控制参数，将其代入(7)得
由公式(8)可知，姿态子系统存在的集总干扰可由系统当前状态与期望输入估计。4.根据权利要求3所述的四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与负载摆动抑制方法，其特征在于，姿态子系统集总干扰的估计表达为：其中，为一阶低通滤波器，鲁棒控制律可表达为：其中，为拉普拉斯逆变换算子，结合公式(6)至(10)可得姿态回路控制律输出为：其中，为一阶低通滤波器。5.根据权利要求1或2所述的四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与负载摆动抑制方法，其特征在于，步骤二中外环位置控制回路中位置子系统的集总干扰为：进一步得到：其中，关于位置子系统的一般形式表达为λ
P
为待设计的控制参数。6.根据权利要求5所述的四旋翼无人机吊挂载荷系统的飞行控制与负载摆动抑制方法，其特征在于，位置子系统集总干扰估计误差为：其中，为位置子系统鲁棒项对集总干扰的估计误差，设计神经网络包含输入层、隐含层1、隐含层2、输出层，选取输入层包含位置子系统的所有当前状...

【专利技术属性】
技术研发人员：解明扬，陈丰毅，屈蔷，高韵婉，吴伟，张民，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：