[发明专利]一种基于滑模PID控制的飞行机械臂

说明书

本发明公开了一种基于滑模PID控制的飞行机械臂，考虑到四旋翼的欠驱动问题，即4个输入控制6个自由度，可以充分利用系统的耦合特性，建立姿态角与位置和高度控制量U₁之间的数学关系，从而通过控制姿态角和位置高度来实现轨迹跟踪的目的。将系统分为一个全驱动子系统和一个欠驱动子系统，既可实现四旋翼飞行器的空中飞行功能，又可达到机械手在空中抓取功能的基于四旋翼飞行器的运载机械手，可以根据物体不同的运动对机械臂进行快速、准确的控制，能够针对不同状态的物体运动实现稳定的跟踪并进行抓取。

技术领域

本发明属于航空飞行器设计技术领域,尤其是涉及一种高效、多用途、既可实现四旋翼飞行器的空中飞行功能，又可达到机械手在空中抓取功能的基于四旋翼飞行器的运载机械手，可以根据物体不同的运动对机械臂进行快速、准确的控制，能够针对不同状态的物体运动实现稳定的跟踪并进行抓取。

背景技术

四旋翼飞行器是一种利用四个旋翼作为飞行引擎来进行空中飞行的飞行器。进入20世纪以来，电子技术飞速发展四轴飞行器开始走向小型化，并融入了人工智能，使其发展趋于无人机，智能机器人。四轴飞行器不但实现了直升机的垂直升降的飞行性能，同时也在一定程度上降低了飞行器机械结构的设计难度。四轴飞行器的平衡控制系统由各类惯性传感器组成。在制作过程中，对整体机身的中心、对称性以及电机性能要求较低，这也正是制作四轴飞行器的优势所在，而且相较于固定翼飞机，四轴也有着可垂直起降，机动性好，易维护等优点。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

四旋翼由于陀螺效应、大气扰动等外在原因大大限制了无人机搭载方面的发展；四旋翼系统本身的强耦合、欠驱动、多变量以及非线性等特点，使得对其的飞行控制设计难以实现，而对无人机搭载机械臂的控制也变得更加困难。搭载机械臂会令无人机的稳定更加难以控制，这是由于搭载机械臂会影响无人机自身的平衡性，机械臂自身的惯性会令系统产生抖振，而且搭载机械臂的无人机会更加容易受到扰动。目前无人机携带设备成本较高且发生事故的概率也较大，因此研究和分析无人机搭载机械臂的时候的稳定性和可靠性显得尤为重要。

发明内容

本发明提出了一种新型的滑模PID控制，针对传统PID控制中出现的抗干扰性差、鲁棒性差，以及滑模控制中存在的抖振问题进行了改善。在不同环境下，对机械臂进行运动的跟踪和分析其稳定性。

技术方案如下：

考虑到四旋翼的欠驱动问题，即4个输入控制6个自由度，可以充分利用系统的耦合特性，建立姿态角与位置和高度控制量U₁之间的数学关系，从而通过控制姿态角和位置高度来实现轨迹跟踪的目的。将系统分为一个全驱动子系统和一个欠驱动子系统，主要步骤如下；

1)首先通过欧拉庞卡莱方程建立四轴无人机的动力学模型，得到7个姿态角加速度，包括x,y,z轴方向上的加速度，翻滚角加速度、偏航角加速度，俯仰角加速度和机械臂运动加速度通过这些加速度实现对无人机各个控制器的反解算。

2)设计滑模PID控制器，主要分为两个步骤，第一步设计滑模面，本发明设计的滑模面为s＝0，并采用指数趋近率，第二步是设计无人机控制律，本发明所设计的控制器是将滑模控制和PID控制进行结合，设计出一种新型的滑模PID控制器。

3)通过相关的计算就可以得到，无人机俯仰、翻滚、偏航和上下运动的四种控制律，根据求得的控制律搭建图3的simulink仿真图，并进行仿真设计，将无人机的一些硬件架构参数输入到无人机仿真模型中去，就可以对无人机的姿态数据进行控制。