[发明专利]用于无人机悬挂负载系统的抗扰控制方法

说明书

本发明属于多旋翼无人机负载运输控制研究领域，为提出一套多旋翼无人机悬挂负载系统的非线性鲁棒控制算法，提高系统在强交变风扰下的控制鲁棒性以及控制精度。本发明采取的技术方案是，用于无人机悬挂负载系统的抗扰控制方法，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；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，进行数学推导得到扰动观测器的观测模型。本发明主要应用于多旋翼无人机负载运输控制场合。

技术领域

本发明属于多旋翼无人机负载运输控制研究领域。针对多旋翼无人机悬挂负载系统的鲁棒控制需求，提出了一套基于扰动观测器的旋翼无人机-悬挂负载系统控制方法，实现了系统在强交变外界风扰下的无人机位置镇定控制与悬挂负载摆角抑制控制。具体讲,涉及用于无人机悬挂负载系统的抗扰控制方法。

背景技术

随着小型无人机导航传感器的小型化、成本低廉化趋势，多旋翼无人机在军用、民用等领域的应用发展迅速。多旋翼无人机机动飞行能力强，可实现包括垂直起降、悬停和侧飞等多种机动飞行任务。

多旋翼无人机悬挂负载系统是一种较为理想的负载运输工具，适用于在危险且难以抵达的区域进行运输作业，如山顶、建筑楼顶等。针对多旋翼无人机的悬挂负载控制与应用研究引起了国外高校等研究机构的广泛关注。

多旋翼无人机悬挂负载系统的控制问题涉及以下两个方面：无人机的位置控制以及悬挂负载摆角控制。NASA(美国国家航空航天局)的好奇号火星车登陆系统采用了一个类似于四旋翼无人机的空中起重机，以悬挂负载形式实现了好奇号火星车在火星近地表面的减速和登陆(网页：https://www.nasa.gov/mission-pages/msl/index.html)。美国宾夕法尼亚大学对四旋翼无人机悬挂负载系统的控制问题进行了研究，基于平面微分系统的分析方法，实现了悬挂负载的减摆控制与悬挂负载的位置跟踪控制(会议：the 2013 IEEEinternational Conference on Robotics and Automation；著者：Steenath K,MichaelNM,Kumar VJ；出版年月：2013年；文章题目：Trajectory Generation and Control of aQuadrotor with a Cable-Suspended Load--A Differentially-Flat Hybrid System；页码：4888-4895)。美国新墨西哥大学对四旋翼无人机悬挂负载系统的轨迹生成与跟踪问题进行了研究，基于强化学习算法设计了四旋翼无人机的轨迹生成算法，实现了悬挂负载的摆角抑制控制以及无人机的位置控制(会议：the 2012IEEE International Conferenceon Robotics and Automation；著者：Palunko I,Fierro R,Cruz P；出版年月：2012年；文章题目：Trajectory Generation for Swing-Free Maneuvers of a Quadrotor withSuspended Payload:A Dynamic Programming Approach；页码：2691-2697)。美国乔治华盛顿大学将四旋翼无人机悬挂负载系统的连接绳索定性为多段直杆串联的链状结构，在此基础上设计了几何非线性控制算法，实现了无人机的位置渐近收敛以及悬挂负载摆角抑制控制(会议：American Control Conference；著者：Farhad A,Goodarzi,Lee D,Lee TY；出版年月：2014年；文章题目：Geometric Stabilization of a Quadrotor UAV with aPayload Connected by Flexible Cable；页码：4925-4930)。

以上述方法为代表的多旋翼无人机悬挂负载系统的控制方法取得了一定理论成果，但仍存在着一点主要的不足：未对多旋翼无人机悬挂负载系统的鲁棒控制问题进行研究。以上控制算法的实验验证均在无扰动的情况下进行，并未考虑系统在外界扰动情况下的控制精度及鲁棒性问题，无法保证系统在常见外界扰动(如强风扰)下的控制效果。