[发明专利]用于无人机悬挂负载系统的抗扰控制方法

权利要求书

1.一种用于无人机悬挂负载系统的抗扰控制方法，其特征是，包括如下步骤：

多旋翼无人机悬挂负载系统的运动学模型搭建步骤：

以I表示惯性坐标系，以B表示无人机体坐标系，以p_Q＝(x_Q,y_Q,z_Q)^T表示多旋翼无人机相对于坐标系I的位置，其中x_Q，y_Q，z_Q分别为多旋翼无人机在坐标系I下的x，y，z方向位置，以p_L＝(x_L,y_L,z_L)^T表示悬挂负载相对于坐标系I的位置，其中x_L，y_L，z_L分别为悬挂负载在坐标系I下的x，y，z方向位置，以q＝(q_x,q_y,q_z)^T表示由无人机重心指向悬挂负载重心的单位向量，

以T表示悬挂绳索的拉力，以m_Q，m_L，l分别表示无人机的质量，悬挂负载的质量以及悬挂绳索的长度，以表示无人机的平动推力控制输入，以)表示作用下无人机重心的外界未知平动扰动力，以G＝(0,0,g)^T表示重力加速度向量，以符号表示变量·的一阶时间导数，以符号表示变量·的二阶时间导数，则多旋翼无人机悬挂负载系统的运动学模型表示如下：

p_L＝p_Q+lq

扰动观测器设计步骤：

基于所提出的多旋翼无人机悬挂负载系统的运动学方程，进行数学推导可得扰动观测器的观测模型如下式所示：

为方便扰动观测器的设计，将观测模型简写成式其中以p_d表示无人机的期望控制位置，定义悬挂负载对应的虚拟负载位置为p_V＝p_Q+ρq，ρ为负常数，定义虚拟负载位置控制偏差ε＝p_V-(p_d+ρr₃)，r₃＝(0,0,1)^T，所设计的扰动观测器如下式所示

其中K₁＝diag{k_1i}∈R^3×3,K₂＝diag{k_2i}∈R^3×3表示对角增益矩阵，表示估计扰动项d的估计值，表示的估计值，表示的估计偏差，符号sign(·)表示变量·的符号函数，符号diag(·)表示由变量·生成对角矩阵，α，p,λ分别表示大于零的常数，对角增益矩阵K₁，K₂要满足以下不等式条件

其中δ₂为扰动力D的一阶时间导数上界；

带有扰动补偿机制的非线性鲁棒控制器设计步骤：

针对所提出的多旋翼无人机悬挂负载运动学模型，设计非线性鲁棒控制器如下所示

其中K_p1＝diag{k_p1i}∈R^3×3，K_d1＝diag{k_d1i}∈R^3×3，K_d2＝diag{k_d2i}∈R^3×3均表示对角增益矩阵，K_p2＝{k_p2i}∈R^1×3表示增益向量，增益均大于零，该控制器实现多旋翼无人机的位置控制误差收敛，即p_Q→p_d，以及悬挂负载摆角的消除，即q→(0,0,1)^T。

2.如权利要求1所述的用于无人机悬挂负载系统的抗扰控制方法，其特征是，还包括如下验证步骤：利用多旋翼无人机悬挂负载系统实现，所述系统由两部分组成，其一为四旋翼无人机，其二为质量悬挂负载；利用运动捕捉系统实时获取悬挂负载以及四旋翼无人机的三维位置信息，并通过Xbee模块将位置信息实时传输至无人机机载微处理器，按照所述的扰动观测器、带有扰动补偿机制的非线性鲁棒控制器运行于无人机机载微处理器单元，采用两台工业风扇模拟强交变风扰，两台工业风扇分别位于四旋翼无人机的两侧，与四旋翼无人机期望控制位置水平相距2.5m，在扰动模拟开始后，每台工业风扇前各自设置一块挡风板，每台挡风板均以3s为周期轮流遮挡/移开风扇出风口，以此形成方向周期性交替，强度随时间变化的时变风扰。