[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

说明书

一种基于能量分析的二级摆飞行吊运系统控制方法。针对三维空间的二级摆多旋翼飞行器吊运系统，建立了系统的动力学模型，并在此基础上提出了一种非线性反馈控制方法，实现了多旋翼无人机的同时定位和摆动抑制。具体地，通过分析吊运系统的能量方程，设计了非线性反馈控制器，并加入耦合项以提高瞬态控制性能。随后，通过基于李雅普诺夫的严格稳定性分析验证了系统的平衡点是渐近稳定的。此外，在硬件实验平台上继续对所提算法进行验证，包括其对各种不确定性和干扰的鲁棒性。实验结果表明，本发明能够较好的完成控制目标，在暂态性能和鲁棒性方面表现出了更好地控制效果。

技术领域

本发明属于非线性欠驱动机电系统自动控制的技术领域，特别是涉及一种基于能量分析的二级摆飞行吊运系统控制方法。

背景技术

旋翼无人机如今被广泛应用于各个领域，因其具有良好的机动性和广泛的环境适应性，故而可用于执行检测和运输任务[1-5]。由于旋翼无人机的机械成本低廉并且较为灵活，使用旋翼无人机通过吊绳进行负载运输引发了越来越多的研究者的关注。然而在这种运输方法下，所吊运的负载会产生振荡运动，容易引发安全隐患。这种现象的发生是由于无人机本身是一种欠驱动系统，其携带负载以后使得整个无人机吊运系统称为双重欠驱动系统，我们无法对所吊运的负载进行直接的控制，因而该系统的控制方法研究是一个非常大的挑战。

近年来，对于欠驱动系统的研究包括起重机、水下航行器、水面船舶和航天器等，已有相关研究者对此做出了工作[6-10]，而空中运输系统作为一种双重欠驱动系统，其控制方法更为困难。传统的解决方法是将有效载荷和挂钩的摆动运动视为一种单级摆动，基于此假设，可用的主要包括：动态规划[11]、输入整形[12]、微分平坦[13]、时间最优运动规划[14]、模型预测控制[15]、非线性自适应控制[16]和分层控制[17-18]等。具体来说，动态规划、输入整形、微分平坦、时间最优运动规划等式开环方法，现已被用于实现防旋、避障、敏捷机动性和时间最优运动规划等方面。

为了进一步提高控制性能，越来越多的人关注闭环控制方法，利用瞬时反馈获得更好的鲁棒性信号。在[19-20]中，为了简化问题，三维空间的问题被简化为二维空间，在此基础上设计了嵌套饱和控制器和基于能量整形的控制器。使用反步法设计了一个非线性跟踪控制器，加入了一个积分项保证了良好的抗风能力。在抑制有效载荷摆动运动的同时渐渐稳定四旋翼的控制目标下，几何非线性控制方法[21]被提出，在该方法下，系统具有两个时间尺度，即有效载荷的快速动力学和四旋翼运动的平移运动的慢动力学。在[15]中使用模型预测控制通过实时生成可行并最优的轨迹来实现复杂环境的避障控制目标。在[17-18]，基于级联系统的特性，提出了分层控制方法，利用该属性可单独导出内环和外环控制器，大大降低了控制器设计和稳定性分析。

总结现有的研究工作，我们发现上述的控制方法研究，都是基于悬挂点、吊钩和有效载荷在同一条直线上的假设，这意味着吊钩的相对运动被忽略了，所以这种单摆模型不能反应系统的实际动态特性，也就是说吊钩围绕悬挂点的旋转和有效载荷围绕吊钩的旋转共同作用，从而产生了二级摆系统，这是运输系统的常见现象[22-25]。由于该方向的研究仍处于早期阶段，与单摆模型相比，其自由度增加并伴随着更为复杂的非线性和动态耦合，在控制器设计方面面临很大的困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于能量分析的二级摆飞行吊运系统控制方法，实现了多旋翼无人机的同时定位和摆动抑制。本发明采用的技术方案是：

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。

具体包括以下步骤：

第1、二级摆吊运系统动力学建模