【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于飞行机器人特种作业领域，具体涉及一种基于绳索摆角和模型不确定性分离观测的无人机搬运系统晃动抑制方法，适用于执行空中搬运等作业任务的无人机系统。
技术介绍
1、作为空中作业和运输的关键载体，无人机在负载搬运领域的应用越来越广泛。
2、在无人机吊挂搬运负载过程中，灵活的绳索结构会不可避免地引起负载晃动，进而可能导致绳索与地面物体缠结，对无人机自身的安全稳定造成了极大的威胁。同时负载晃动使得物资的精准投放成为难题，极大地降低运输效率，因此亟待设计主动抑制负载晃动的方法，保证整个搬运过程的安全性和快速性。
3、然而无人机动力学与负载动力学具有复杂的耦合关系，且无人机固有的模型不确定性影响着无人机的位置跟踪精度，这对无人机自身的位置控制带来了很大的挑战。同时负载位置难以通过无人机自带的机载传感器直接进行量测，因此对于无人机来说，自主感知负载位置并抑制晃动是一项棘手的难题。为了在负载搬运任务中同时实现无人机的鲁棒位置跟踪与负载的晃动抑制，无人机的控制算法在设计过程中必须解决上述提到的模型不确定性与负载状态分离估计的问题。
4、中国专利申请cn201720386054.5提出了一种物流无人机的投递装置，通过增加防摆结构来限制绳索摆动，但是存在一个问题：需要额外安装防摆装置，增加了搬运系统的结构重量，降低了系统的灵活性和载荷能力；中国专利申请cn201911249149.2提出了四旋翼飞行器运送悬挂负载的非线性运动控制方法，但是存在一个问题：负载的状态需要借助额外的传感器量测得到，传感器的安装增
5、因此，上述专利申请都没有考虑无人机搬运过程中模型不确定性与未知负载状态分离估计的问题，以完成经济高效的空中搬运任务。
技术实现思路
1、为克服现有技术的缺陷，对于无人机搬运系统，本专利技术提供一种基于绳索摆角和模型不确定性分离观测的无人机搬运系统晃动抑制方法。该方法能够分离估计无人机自身的模型不确定性和吊挂绳索的摆角，用于无人机的鲁棒位置调节和负载的晃动抑制。
2、为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种基于绳索摆角和模型不确定性分离观测的无人机搬运系统晃动抑制方法，包括以下步骤：
4、第一步，建立受模型不确定性影响的无人机悬挂带载线性化模型；
5、第二步，设计观测器，分离估计绳索的摆角和无人机的模型不确定性；
6、第三步，基于估计值设计分层控制器，补偿模型不确定性并抑制负载晃动。
7、进一步地，所述第一步包括：
8、选取系统平衡点为无人机悬停且绳索竖直的状态，将无人机动力学模型沿纵向平面做小扰动线性化，并忽略与摆角动态不相关的部分，得到以下模型：
9、
10、式中，δx表示惯性系下无人机质心的水平位置，δθ表示纵向平面内无人机的姿态角，δα表示绳索的摆角，表示(·)关于时间的一阶导数，表示(·)关于时间的二阶导数，g表示重力加速度，m为负载的质量，m为无人机的质量，j为无人机的转动惯量，l为绳索长度，δu表示无人机的转动力矩，对应系统的控制输入，dx表示无人机在水平方向受到的模型不确定性；
11、将绳索的摆角动态和无人机的水平位移动态进一步表征为如下紧凑的状态空间形式：
12、
13、式中，向量表示绳索摆角及其导数，表示无人机水平位移及其导数，矩阵矩阵矩阵矩阵
14、矩阵矩阵矩阵
15、进一步地，所述第二步包括：
16、根据第一步建立的状态空间模型，设计如下观测器估计绳索的摆角δα及其导数
17、
18、
19、式中，为摆角观测器的辅助变量，为二维实向量空间，为绳索摆角估计值及其导数，为绳索摆角估计值，为观测器增益，为2×2型实矩阵空间，为无人机在水平方向受到的模型不确定性dx的估计值，由以下的干扰观测器估计得到：
20、
21、
22、式中，为水平方向干扰观测器的辅助变量，为干扰观测器增益。
23、进一步地，所述第三步包括：
24、步骤3.1，基于第二步得到的绳索的摆角的估计值及其导数无人机在水平方向受到的模型不确定性dx的估计值并结合无人机的水平位移δx及其导数绳索摆角估计值及其导数设计无人机的期望姿态角：
25、
26、式中，δθd为无人机的期望姿态角，kα和对应绳索摆角的控制增益，kx和对应无人机水平位置的控制增益，增益选取满足以下条件：
27、
28、
29、步骤3.2，设计姿态跟踪控制律，使得无人机的姿态角δθ渐近收敛到期望姿态角δθd：
30、
31、式中，δu表示无人机的转动力矩，kθ和对应无人机姿态角控制增益，增益选取满足以下条件：
32、
33、本专利技术与现有技术相比的有益效果在于：
34、本专利技术主要面向无人机搬运系统。相比于基于负载传感器的晃动抑制策略，本专利技术具有成本低，结构简单的优点。通过设计摆角估计算法，本专利技术使得无人机在搬运载荷时能够自主感知负载的位置并抑制负载晃动。结合干扰估计算法，本专利技术解决了现有方法难以分离估计模型不确定性与未知负载状态的问题，并实现了无人机的鲁棒位置控制，提高了无人机位置跟踪的精度。
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1.一种基于绳索摆角和模型不确定性分离观测的无人机搬运系统晃动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于绳索摆角和模型不确定性分离观测的无人机搬运系统晃动抑制方法，其特征在于，所述第一步包括：
3.根据权利要求2所述的一种基于绳索摆角和模型不确定性分离观测的无人机搬运系统晃动抑制方法，其特征在于，所述第二步包括：
4.根据权利要求3所述的一种基于绳索摆角和模型不确定性分离观测的无人机搬运系统晃动抑制方法，其特征在于，所述第三步包括：
【技术特征摘要】
1.一种基于绳索摆角和模型不确定性分离观测的无人机搬运系统晃动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于绳索摆角和模型不确定性分离观测的无人机搬运系统晃动抑制方法，其特征在于，所述第一步包括：
3....
【专利技术属性】
技术研发人员：卢昊，徐立丹，郭雷，王建梁，
申请(专利权)人：北京航空航天大学杭州创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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