[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

说明书

本发明涉及一种利用系绳旋翼协调的无人机吊挂负载控制方法，利用安装在多旋翼无人机上的系绳收放装置和多旋翼无人机的螺旋桨推力抑制系绳摆动，同时实现系绳长度控制，利用系绳收放和无人机推力协调控制加快了系绳摆动抑制速率。在无人机吊挂系统运动过程中实现绳长控制，提高了吊挂负载的抓取和释放速度，具有很好的实用性。

技术领域

本发明属于无人机吊挂飞行控制领域，具体涉及一种在无人机吊挂飞行过程中利用无人机推力和系绳收放进行协调控制的系绳摆动抑制和绳长控制方法。

背景技术

随着多旋翼无人机技术的快速发展，多旋翼无人机已经应用在了自然灾害、警用和军用任务中的高空侦查、农业植保、快递投放以及货物运输等众多军事和民事领域。其中利用多旋翼无人机安装绳索吊挂货物进行运输是一种有效的货物运输手段。同时，由于无人机吊挂系统运输货物的快速性和对多种复杂运输环境的适应性，无人机吊挂飞行得到国内外研究人员的日益关注。

在多旋翼无人机吊挂飞行过程中，多旋翼无人机的控制力由多旋翼无人机的螺旋桨推力提供，此外由于外界条件的影响，需要对系绳进行收放操作，降低飞行过程中外界环境对多旋翼无人机系绳捕获系统发生碰撞、钩挂的风险，同时，降低多旋翼无人机的避障及轨迹跟踪控制难度，并且快速完成吊挂负载的抓取和释放。在无人机吊挂系统运动过程中，主要的难题是保持多旋翼无人机、系绳、吊挂负载的组合体系统的姿态稳定。这包括三方面内容：1、多旋翼无人机姿态保持；2、吊挂负载姿态保持；3、系绳姿态保持。由于多旋翼无人机具有完善的飞行控制系统，同时由于其具有的欠驱动特性，多旋翼无人机的控制系统通过利用螺旋桨推力能够完成飞行过程中的位置和姿态控制；由于重力和系绳拉力的原因，吊挂负载的姿态在飞行过程中处于相对稳定的范围内；在系绳姿态保持方面，发表于2015年《Proceeding of IEEE Conference on Robotics and Automation(ICRA)》的文章“Mixed integer quadratic program trajectory generation for a quadrotor with acable-suspended payload.”和2017年同样在《Proceeding of IEEE Conference onRobotics and Automation(ICRA)》发表的文章“Autonomous swing-angle estimationfor stable slung-load flight of multi-rotor UAVs”给出了利用轨迹规划的方法，引导无人机吊挂系统进行避障飞行的方法。在2016年，《控制理论与应用》的文章“无人机吊挂飞行的非线性控制方法设计”，用能量分析的方法设计了非线性控制器，能够对无人机吊挂系统飞行过程的系绳摆动进行有效抑制。但是，上述运用轨迹规划和控制器设计的方法很大程度上利用了多旋翼无人机的螺旋桨推力，由于多旋翼无人机的欠驱动特性，当较大程度上利用螺旋桨推力抑制系绳摆动时，会和多旋翼无人机的位置和姿态控制需求产生冲突，使多旋翼无人机吊挂系统在飞行过程中产生较大的位置和姿态误差。此外，上述文章的研究对象都是简化的二维模型，没有考虑到三维模型。并且上述文章都没有考虑到在无人机吊挂飞行中，为了实现吊挂负载的快速抓取和释放，在飞行过程中实现系绳的收放控制系绳的长度的需求，以及利用系绳收放提高系绳摆动抑制的能力。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明的目的是提供一种利用系绳收放和无人机推力协调的系绳摆动抑制和绳长控制方法。利用安装在多旋翼无人机上的系绳收放装置和多旋翼无人机的螺旋桨推力抑制系绳摆动，同时实现系绳长度控制，利用系绳收放和无人机推力协调控制加快了系绳摆动抑制速率。在无人机吊挂系统运动过程中实现绳长控制，提高了吊挂负载的抓取和释放速度，具有很好的实用性。

本发明的技术方案是：一种利用系绳旋翼协调的无人机吊挂负载控制方法，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：