[发明专利]一种基于能量分析的二级摆飞行吊运系统控制方法

权利要求书

1.一种基于能量分析的二级摆飞行吊运系统控制方法，其特征在于该方法包括：

1)二级摆吊运系统动力学建模，建立外环系统动力学方程；

2)通过二级摆飞行吊运系统的外环能量求导，设计得到二级摆吊运系统控制器；

3)增加涉及到摆动的信息，抑制负载及吊钩的摆动；

其中步骤1)中所述的外环系统动力学方程表示为：

其中，无人机、吊钩以及负载的质量分别为m₀,m₁,m₂，无人机与吊钩之间的距离为l₁，吊钩与负载之间的距离为l₂，和分别表示无人机、吊钩以及负载的位置，分别表示吊钩相对于无人机以及负载相对于吊钩的摆角，f(t)表示无人机输出的推力，R(t)∈SO(3)代表从机体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵；

f₁,f₂,f₃是向量fRe₃的三个分量，C_1x,S_1x,C_1y,S_1y,C_2x,S_2x,C_2y,S_2y,C_(1-2)x,S_(1-2)x分别是cos(θ_1x),sin(θ_1x),cos(θ_1y),sin(θ_1y),cos(θ_2x),sin(θ_2x),cos(θ_2y),sin(θ_2y),cos(θ_1x-θ_2x)和sin(θ_1x-θ_2x)的缩写。

2.根据权利要求1所述的基于能量分析的二级摆飞行吊运系统控制方法，其特征在于：步骤2)的具体方法是：

二级摆飞行吊运系统的外环能量方程表示为：

其中q(t)∈R⁷和矩阵M(q)∈R^7×7定义如下：

在矩阵M(q)∈R^7×7中，各变量表示如下：

M₁₁＝M₂₂＝M₃₃＝m₀+m₁+m₂

M₁₄＝M₄₁＝(m₁+m₂)l₁C_1xC_1y

M₁₅＝M₅₁＝-(m₁+m₂)l₁S_1xS_1y

M₁₆＝M₆₁＝-m₂l₂C_2xC_2y,M₁₇＝M₇₁＝-m₂l₂S_2xS_2y

M₂₅＝M₅₂＝(m₁+m₂)l₁C_1y,M₂₇＝M₇₂＝m₂l₂C_2y

M₃₄＝M₄₃＝(m₁+m₂)l₁S_1xC_1y

M₃₅＝M₅₃＝(m₁+m₂)l₁C_1xS_1y

M₃₆＝M₆₃＝m₂l₂S_2xC_2y,M₃₇＝M₇₃＝m₂l₂C_2xS_2y

M₄₆＝M₆₄＝m₂l₁l₂C_1yC_2yC_(1-2)x

M₄₇＝M₇₄＝m₂l₁l₂C_1yS_2yS_(1-2)x

M₅₆＝M₆₅＝-m₂l₁l₂S_1yC_2yS_(1-2)x

M₅₇＝M₇₅＝m₂l₁l₂(C_1yC_2y+S_1yS_2yC_(1-2)x) (13)

无人机的升力表示为：

假设耦合项△＝0，对二级摆飞行吊运系统的能量函数进行求导，可得

(15)中的表示外环系统的输出升力，其中推力部分可记作由式(15)可以看出外环系统是一种耗散系统，其输入为f_v-(m₀+m₁+m₂)ge₃，输出为ξ，因而可设计如下控制器：

(16)中的是无人机的位置误差信号，是对称正定的对角参数矩阵。

3.根据权利要求1所述的基于能量分析的二级摆飞行吊运系统控制方法，其特征在于步骤3)中包括以下方法：

推力部分设计如下：

(17)中所出现的k_px,k_py,k_pz,k_dx,k_dy,k_dz,k_x,k_y,k_z∈R+代表正的控制增益，因而推力部分重写为如下形式：

其中f_en可表示为：

此项的加入是为了抑制二级摆的摆动效应，整个控制器设计中的参数矩阵K_p＝diag([k_px,k_py,k_pz])，K_d＝diag([k_dx,k_dy,k_dz])和均为对称正定的对角矩阵。