多无人机绳系负载空运系统的姿态控制方法技术方案

本发明专利技术属于多无人机绳系负载空运系统的飞行控制领域，为实现在刚体惯性矩阵和空气阻尼系数矩阵存在不确定性的情况下，对未知参数的在线估计，同时可以精确跟踪期望姿态，能够有效补偿未知参数的影响和较好地抑制外界干扰，对负载位姿的精确控制，本发明专利技术，多无人机绳系负载空运系统的姿态控制方法，基于拉格朗日建模方法，建立多无人机绳系负载空运系统的动力学模型：进行控制力矩设计，进行惯性矩阵和空气阻尼系数矩阵的自适应更新律设计，确定跟踪误差和估计误差实现一致有界。本发明专利技术主要应用于多无人机编队飞行控制场合。用于多无人机编队飞行控制场合。用于多无人机编队飞行控制场合。

【技术实现步骤摘要】
多无人机绳系负载空运系统的姿态控制方法


[0001]本专利技术属于多无人机绳系负载空运系统的飞行控制领域。针对吊挂负载运输过程中的无人机跟踪期望姿态的目标和抑制外界扰动的需求，提出了一种新的鲁棒自适应控制方法。

技术介绍

[0002]四旋翼无人机具有垂直起降的能力、优越的悬停性能以及较强的灵活性，被广泛地应用在应急救援、电力巡检、农业保护以及货物运输等方面(期刊：IEEE Access；著者：Jeongeun Kim,Seungwon Kim,Chanyoung Ju,Hyoung Il Son；出版年月：2019；文章题目：Unmanned Aerial Vehicles in Agriculture:A Review of Perspective of Platform,Control,and Applications；页码：105100
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105115)，(期刊：IEEE Transactions on Industrial Electronics；著者：Bo Zhao,Bin Xian,Yao Zhang,Xu Zhang；出版年月：2014；文章题目：Nonlinear robust adaptive tracking control of a quadrotor UAV via immersion and invariance methodology；页码：2891
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2902)。随着无人机研究技术的不断深入，无人机逐渐被应用到复杂度更高和不确定性更强的任务中。尤其在空运物流的领域，单架无人机需要兼具轻量化和小型化的特点，但物流运输任务又要求无人机具备更大的承载能力。因此，为解决这一矛盾，无人机的工作方式开始由单架无人机独立工作转变为多架无人机协同作业。(期刊：Aerospace Science and Technology；著者：Behzad Shirani，Majdeddin Najafi and Iman Izadi；出版年月：2019；文章题目：Cooperative load transportation using multiple UAVs；页码：158
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169)。
[0003]目前在无人机控制领域以及单架无人机吊挂运输领域，很多研究人员关注系统的机动飞行能力(期刊：IEEE Transactions on Control Systems Technology；著者：Ezra Tal,Sertac Karaman；出版年月：2021；文章题目：Accurate Tracking of Aggressive Quadrotor Trajectories Using Incremental Nonlinear Dynamic Inversion and Differential Flatness；页码：1203
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1218)。一个具备较强机动飞行能力的无人机系统可以在复杂环境条件下快速飞行，甚至可以高速通过与自身尺寸相差无几的窄缝。单架无人机吊挂系统虽然机动性减弱，但也可以通过规划合理的运动轨迹以及选择合适的控制器来实现系统的快速飞行。本文受此启发，旨在通过建立精确的系统模型和设计更利于实现机动飞行的控制器来提高多机吊挂系统的高效运输能力。同时通过增强系统的鲁棒性能，来实现有效抑制外界扰动，进而保证安全、稳定地完成运输任务。
[0004]在多无人机吊挂负载运输系统中，负载的位置控制和姿态跟踪依赖于四旋翼无人机通过绳索施加在负载上的牵引力，而无人机自身的姿态跟踪速度和跟踪精度直接影响到多无人机吊挂系统能否较好地完成运输负载的任务。因此，针对多无人机吊挂系统中各四旋翼无人机姿态控制律的设计是十分关键的一环。
[0005]近年来，针对多无人机吊挂运输系统的研究已经取得了一些较好的成果，但仍存在一些局限性：1)在对系统进行动力学建模时，通常将无人机建模为质点，并未考虑其姿态
环控制。2)针对无人机的控制问题，大部分研究通常忽略了空气动力效应或将其视为未知扰动。这在系统接近悬停条件时能取得较好的控制效果，但随着速度的增加，其位姿跟踪精度会逐渐降低。3)多数研究通常默认无人机的惯性矩阵已知，但在实际情况中难以对其进行精确测量。

技术实现思路

[0006]为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出基于几何控制的自适应鲁棒控制算法，在刚体惯性矩阵和空气阻尼系数矩阵存在不确定性的情况下，实现对未知参数的在线估计，同时可以精确跟踪期望姿态，能够有效补偿未知参数的影响和较好地抑制外界干扰。实现对负载位姿的精确控制。为此，本专利技术采取的技术方案是，多无人机绳系负载空运系统的姿态控制方法，步骤如下：
[0007]首先定义一个惯性坐标系和4个体坐标系其中第0个体坐标系的中心建立在刚体负载的质心，第1、2、3个体坐标系的中心分别建立在三架无人机的质心，三架无人机分别通过三根长度相等的绳索共同吊挂一个刚体负载；
[0008]假设绳索始终张紧，在惯性坐标系中，负载位置和第i架无人机的位置有如下关系：p
i
＝p
L
+R
L
η
i
‑
l
i
ξ
i
。其中，表示从负载质心指向第i根绳索在负载上的连接点的向量，表示三维实向量组成的向量空间，表示绳索的长度，表示实数集，ξ
i
(t)∈S2由第i架无人机质心指向第i根绳索在负载上连接点方向的单位向量，下标i表征第i架无人机和第i根绳索，S2表示二维球面；
[0009]基于拉格朗日建模方法，得到多无人机绳系负载空运系统的动力学模型：
[0010][0011]动力学方程中各变量定义如下：分别为负载质量和惯性矩阵，分别为负载质心在惯性坐标系下的位置、线速度和角速度，g为重力加速度，z＝[0，0，1]T
，R
L
∈SO(3)为负载在体坐标系下的姿态旋转矩阵，SO(3)表示正交旋转群；分别为第i架无人机质心在惯性坐标系下的位置、线速度和角速度，R
i
∈SO(3)为第i架无人机在体坐标系下的姿态旋转矩阵，为第i根绳索的角速度，分别为无人机的质量和惯性矩阵，表示第i架无人机的空气阻尼系数矩阵，对角线元素分别为四旋翼无人飞行
器机体绕体坐标系三轴的空气阻尼系数；
[0012]在式(1)中，为负载的虚拟控制输入，Δ
p
(t)和分别为负载位置和姿态模型中的未知外界扰动，为第i架无人机姿态模型中的未知外界扰动，为第i个连接点的加速度，表达式为第i架无人机的控制输入沿对应绳索方向向量的平行分量与ν
i
(t)具有如下关系：
[0013][0014]在上述模型中，S(
·
)表示由向量张成的反对称矩阵，即对于向量ω(t)＝[ω
φ
(t) ω
θ
(t) ω
ψ
(t)]T
，S(ω)的表达式为
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多无人机绳系负载空运系统的姿态控制方法，其特征是，首先定义一个惯性坐标系和4个体坐标系其中第0个体坐标系的中心建立在刚体负载的质心，第1、2、3个体坐标系的中心分别建立在三架无人机的质心，三架无人机分别通过三根长度相等的绳索共同吊挂一个刚体负载；假设绳索始终张紧，在惯性坐标系中，负载位置和第i架无人机的位置有如下关系：p
i
＝p
L
+R
L
η
i
‑
l
i
ξ
i
，其中，表示从负载质心指向第i根绳索在负载上的连接点的向量，表示三维实向量组成的向量空间，表示绳索的长度，表示实数集，ξ
i
(t)∈S2由第i架无人机质心指向第i根绳索在负载上连接点方向的单位向量，下标i表征第i架无人机和第i根绳索，S2表示二维球面；基于拉格朗日建模方法，得到多无人机绳系负载空运系统的动力学模型：动力学方程中各变量定义如下：分别为负载质量和惯性矩阵，Ω
L
∈TSO(3)分别为负载质心在惯性坐标系下的位置、线速度和角速度，g为重力加速度，z＝[0,0,1]
T
，R
L
∈SO(3)为负载在体坐标系下的姿态旋转矩阵，SO(3)表示正交旋转群；Ω
i
∈TSO(3)分别为第i架无人机质心在惯性坐标系下的位置、线速度和角速度，R
i
∈SO(3)为第i架无人机在体坐标系下的姿态旋转矩阵，为第i根绳索的角速度，分别为无人机的质量和惯性矩阵，表示第i架无人机的空气阻尼系数矩阵，对角线元素分别为四旋翼无人飞行器机体绕体坐标系三轴的空气阻尼系数；在式(1)中，为负载的虚拟控制输入，Δ
p

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