[发明专利]一种系留无人机近地回收位置控制器设计方法

说明书

本发明涉及一种系留无人机近地回收位置控制器设计方法，其特征在于：该方法具体包括：步骤一：系留无人机水平位置控制器设计；步骤二：螺旋桨推力大小选择；步骤三：计算期望姿态角。本发明提出的一种系留无人机近地回收位置控制器设计方法，可以保证极端天气下系留无人机在抗风性方面具有更大的优越性，提高了系留无人机可靠性，大大拓展了系留无人机的应用场合。

技术领域

本发明涉及一种系留无人机近地回收位置控制器设计方法，属于飞行控制技术领域。

背景技术

随着无人机技术的发展，续航时间不足的问题变得越来越突出，严重限制了无人机的应用。为了解决这个问题，系留无人机应运而生。系留无人机主要组成部分有：系留式无人机平台，系留电缆和车载平台，总体结构如图1所示。不同于普通无人机，系留无人机要求着陆到车载平台上，因此对回收过程的抗风性以及着陆精度要求更高。

目前市场上系留无人机的控制器普遍采用普通无人机的控制器，主要为PID控制，即将电缆作用视为外界干扰，等效为存在外界干扰的普通无人机的定点着陆。考虑到系留无人机需要精确着陆到车载平台上，在抵消了电缆干扰作用后，其控制余量减少，因此抗风性不足。为了提高极端天气下的系留无人机抗风性，本发明提出了一种新的控制策略，可以解决无人机抗风性不足的问题，提高了系留无人机可靠性，大大拓展了系留无人机的应用场合。

发明内容

本发明的目的是提供一种系留无人机近地回收位置控制器设计方法，为了解决极端天气下的系留无人机的精确着陆，提高了系留无人机可靠性，大大拓展了系留无人机的应用场合。

本发明的一种系留无人机近地回收位置控制器设计方法，基于电缆拉紧情况下的系留无人机系统设计了一种新的位置控制器。本发明提出的新的控制策略采用电缆拖拽与螺旋桨协同控制实现无人机的回收，最终会给出螺旋桨推力大小F_T，以及期望滚转角和期望俯仰角θ_r，姿态控制器通过调节无人机系统的不同方向的力矩大小实现对姿态角的控制，输出期望姿态角。多旋翼的控制分为两个环路控制：位置控制和姿态控制，其中位置控制为外环，姿态控制为内环，内环动态特性远远大于外环。多旋翼的控制器由内外环嵌套而成，如图2所示，内环为姿态环，外环为位置环。外环位置的运动是由内环姿态角的控制来实现的，外环的位置控制器根据目标输入逆向求解出姿态角和θ_r，内环的姿态控制器再计算出控制量，即力矩大小。

本发明的控制器设计思路借鉴了氢气球回收过程。我们知道，当氢气球的浮力f大于重力G，即f-G＞0时，理论上无论受到的水平风干扰力W多大，只要与之相连的绳子拉力T足够大都可以实现回收，具体分析如图3a、图3b所示。无风时，缆绳拉力T＝f-G，方向竖直向下；有风时，对应的风场干扰力为W，对应的缆绳提供的拉力大小为：因此对于不同大小的干扰力，都对应着一个方向和大小唯一的拉力，从而实现氢气球的回收。将这种思想应用到系留无人机的回收控制可以大大增大极端天气下无人机的回收控制精度与可靠性。

首先给出本发明方法采用的系留无人机系统具体模型，介绍如下：

这里的模型是考虑电缆处于拉紧状态时的系留无人机系统模型，带有坐标系的系留无人机系统示意图如图4所示。无人机平台通过柔性电缆与地面平台相连，电缆长度为l。地面坐标系，无人机机体坐标系以及车载平台坐标系分别记为S_e(O_e-x_ey_ez_e)，S_b(O_b-x_by_bz_b)，S_c(O_c-x_cy_cz_c)。

分别用向量ξ＝[x y h]^T，v＝[v_x v_y v_z]^T表示无人机相对地面车载平台相对位置和速度，根据几何关系，位置可表示为