[发明专利]一种基于级联系统的四旋翼携带载荷控制方法和系统

权利要求书

1.基于级联系统的四旋翼携带载荷控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、对无人机初始位置、期望位置还有载荷与无人机之间的初始夹角进行取值，建立四旋翼无人机携带载荷的模型，将其转化为n阶积分器系统，得到最终的四旋翼无人机携带载荷模型方程；

步骤S2、在四旋翼无人机携带载荷模型方程上设计级联饱和控制律，得到控制位置和姿态的控制律u′₁、u′₂、u′₃以及u′₄；

步骤S3、将控制律u′₁、u′₂、u′₃以及u′₄传输到控制器来控制无人机的位置和姿态z、x、y、θ、φ、ψ和载荷在机体坐标系下的位置，最终无人机能够实现期望的位置飞行及载荷的稳定；

所述四旋翼无人机携带载荷的模型的建立方法如下：

首先通过拉格朗日牛顿方程得到四旋翼无人机携带载荷的模型，表达式如下：

通过线性化得到上式的

对上式进行化简得到

其中，r为载荷相对于无人机的位置在x方向上的分量，s为载荷相对于无人机的位置在y方向上的分量，ξ为载荷相对于无人机的位置在z方向上的分量；M、m分别表示无人机和载荷的质量，g为重力加速度；无人机的三个姿态角分别为横滚角φ、俯仰角θ和偏航角ψ；

所述级联饱和控制律设计的方法如下:

先定义饱和函数σ_λ(t)为

其中，λ为饱和函数的饱和值；

设定n级积分器系统级联的表示如下：

其中，α_i为常数，α_i≠0，为系统的n个状态，u为系统最初的输入；

利用如下的坐标转换

其中，y₁,y₂…,y_n表示对系统n个状态变量x₁,x₂…,x_n的坐标转换；基于该变换，前述系统转换为：

进而设计如下的控制律设计：

其中，σ表示饱和函数，b_i为饱和值，然后具体的饱和函数在上面有所定义，k_i＞0为常数，k_i的选取要满足转换后的系统为全局渐近稳定。

2.根据权利要求1所述的四旋翼携带载荷控制方法，其特征在于，四旋翼无人机在z方向、x方向、θ方向、ψ方向、y方向和φ方向控制律的设计方法如下：

四旋翼无人机在z方向控制律的表达式为：

其中控制律u′₁表达式为：u′₁＝-σ₁(k₁(z₁-z_d))-σ₂(k₂z₂)；

四旋翼无人机在ψ方向控制律的表达式为：

其中控制律u′₃表达式为：

u′₃＝-σ₃(k₃(ψ₁-ψ_d))-σ₄(k₄ψ₂)；

四旋翼无人机在x方向和θ方向控制律的表达式为，其中，在r、s稳定时无人机在x、y上的系统是级联系统：

其中控制律u′₂表达式为：

其中，ρ为常数，ε为满足|u′₁|≤ε的小常数；

四旋翼无人机在y、φ方向控制律的表达式为：

其中控制律u′₄的表达式如下：

3.基于级联系统的四旋翼携带载荷控制系统，其特征在于，包括：

对无人机初始位置、期望位置还有载荷与无人机之间的初始夹角进行取值，建立四旋翼无人机携带载荷的模型，将其转化为n阶积分器系统，得到最终的四旋翼无人机携带载荷模型方程的模块；

在四旋翼无人机携带载荷模型方程上设计级联饱和控制律，得到控制位置和姿态的控制律u′₁、u′₂、u′₃以及u′₄的模块；

将控制律u′₁、u′₂、u′₃以及u′₄传输到控制律来控制无人机的位置和姿态x、y、z、θ、φ、ψ和载荷在机体坐标系下的位置，最终无人机能够实现期望的位置飞行及载荷的稳定控制律的模块；

在四旋翼无人机携带载荷模型方程上设计级联饱和控制律的模块执行以下步骤：

四旋翼无人机在z方向、x方向、θ方向、ψ方向、y方向和φ方向控制律的设计方法如下：

四旋翼无人机在z方向控制律的表达式为：

其中控制律u′₁表达式为：

u′₁＝-σ₁(k₁(z₁-z_d))-σ₂(k₂z₂)；

四旋翼无人机在ψ方向控制律的表达式为：

其中控制律u′₃表达式为：

u′₃＝-σ₃(k₃(ψ₁-ψ_d))-σ₄(k₄ψ₂)；

四旋翼无人机在x方向和θ方向控制律的表达式为，其中，在r、s几近稳定时无人机在x、y上的系统是级联系统：

控制律u′₂表达式为：

其中，ρ为常数，ε为满足|u′₁|≤ε的小常数；

四旋翼无人机在y、φ方向控制律的表达式为：

其中控制律u′₄的表达式如下：

上式中r为载荷相对于无人机的位置在x方向上的分量，s为载荷相对于无人机的位置在y方向上的分量，ξ为载荷相对于无人机的位置在z方向上的分量；M、m分别表示无人机和载荷的质量，g为重力加速度；无人机的三个姿态角分别为横滚角φ、俯仰角θ和偏航角ψ。