[发明专利]一种利用系绳旋翼协调的无人机吊挂负载控制方法

权利要求书

1.一种利用系绳旋翼协调的无人机吊挂负载控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：建立含有系绳收放运动的多旋翼无人机吊挂系统三维动力学模型，包括以下子步骤：

子步骤一：确定无人机吊挂系统模型和假设条件：模型中包括多旋翼无人机、系绳和吊挂负载；定义Oxyz为惯性坐标系，O₁x_by_bz_b为多旋翼无人机的本体坐标系，无人机本体坐标系的原点O₁固定于四旋翼无人机质心处； 四旋翼无人机采用十字形布局，其O₁x_b轴沿机头方向的旋翼臂指向前，O₁z_b轴在无人机的纵向对称面内，垂直于O₁x_b轴，且沿四旋翼无人机的总升力方向指向上，O₁y_b轴按照右手定则确定；α是系绳在Oxz面内的投影和Oz轴负方向的夹角，即系绳的面内摆角，β是系绳与系绳在Oxz面内的投影的夹角，即面外摆角，L为系绳长度； m_Q为多旋翼无人机质量，m_L为吊挂负载质量，F是多旋翼无人机旋翼的推力； x_Q,y_Q,z_Q,x_L,y_L,z_L分别是多旋翼无人机和吊挂负载在惯性系中的位置；

同时定义在系统模型中，忽略系绳弹性、柔性及质量；忽略吊挂负载的姿态，将吊挂负载看作质点；忽略无人机的姿态控制；将系绳与多旋翼无人机的连接点与无人机质心重合；

子步骤二：利用牛顿-欧拉法分析多旋翼无人机和吊挂负载的受力运动情况：

其中，g是重力加速度，F_x、F_y和F_z是多旋翼无人机螺旋桨推力F在惯性坐标系中沿各轴的分量，T是系绳上的拉力大小； 分别为x_Q,y_Q,z_Q,x_L,y_L,z_L的二阶导数；

利用牛顿-欧拉法分析多旋翼无人机和吊挂负载的位置关系：

对上式(2)求导得到无人机和吊挂负载的速度关系：

对上式(3)求导得到无人机和吊挂负载的加速度关系：

其中，为绳长L的一阶和二阶导数，为系绳面内摆角和面外摆角α,β的一阶和二阶导数；

联立(1)(4)得到多旋翼无人机吊挂系统的系绳张力和面内摆角、面外摆角角加速度：

将式(3)与式(1)联立，将系绳张力T带入式(1)中，结合式(3)中后两行，得到无人机吊挂系统三维动力学模型；

步骤二：设计符合控制要求的能量函数：

选取无人机动能、吊挂负载动能和吊挂负载重力势能分别为：

其中，E_Q表示无人机动能，E_LT表示吊挂负载动能，E_LV表示吊挂负载势能；

吊挂负载动能和势能的变化率为：

其中，是负载能量总的变化率，是负载动能的变化率，是负载重力势能的变化率，是无人机质心的速度；

步骤三：设计实现系绳摆动抑制和绳长控制的多旋翼无人机吊挂系统控制器，表达式为：

其中，F_x、F_y、F_z表示无人机在惯性系中x、y、z方向的推力，表示系绳收放的速度； k_Q、k_L、k_p、k是选取的正控制器系数，A、B、C、D、E是提出的与F_x、F_y、F_z、无关项，具体表示为：

其中，e_x、e_y、e_z表示无人机质心的实际位置与期望位置之差，e_L是系绳实际长度和期望长度之差，至此，完成无人机吊挂系统系绳摆动抑制和绳长跟踪控制器设计。