[发明专利]一种针对质心偏移和基座浮动的带臂旋翼无人机姿态控制方法

说明书

本发明涉及一种针对质心偏移和基座浮动的带臂旋翼无人机姿态控制方法，针对质心偏移及基座浮动影响机械臂末端控制精度，首先构建含有质心偏移及基座扰动的飞行机械臂动力学方程；其次，根据质心偏移对带臂旋翼无人机的动力学影响，通过配置多自由度机械臂不同关节间接控制无人机；针对基座浮动引起的扰动，设计基座浮动干扰观测器估计其幅值；针对基座浮动干扰观测误差，设计抗饱和控制器进行抑制；设计抗干扰控制器，完成多源干扰条件下的飞行机械臂抗干扰姿态控制。本发明能够显著提高带臂旋翼无人机姿态控制精度，可应用于安防、工业、军事等领域，满足带臂旋翼无人机在执行物体抓取、运输、危险物排除等特种作业过程中的高精度姿态控制需求。

技术领域

本发明涉及一种针对质心偏移和基座浮动的带臂旋翼无人机姿态控制方法，适用于重量小于25千克或者任意维度的尺寸不大于10米、搭载多自由度机械臂且需要实现高精度控制的旋翼无人机姿态控制系统，属于飞行器姿态控制领域。

背景技术

近年无人机技术已广泛应用在遥感、侦察、植保、物流、巡检等领域，然而随着任务复杂度不断提升，任务需求难度也越来越广，对无人机的机动性能提出了更高要求，同时无人机需要搭载功能更加多样性的传感器以增强自身感知能力。此外，随着无人机任务作业种类的增加，也对无人机与环境的交互提出了更高要求，需要搭载作业能力更强的执行器以提高无人机与环境的交互能力；传感器和交互作业等需求都使得多旋翼无人机需要搭载越来越灵活的执行部件，从作业需求和控制技术实施难度来说，搭载的执行部件通常为多自由度机械臂，机械臂末端安装有不同类型的末端执行器。配有多自由度机械臂的多旋翼无人机作业时，通常分为抵近飞行、悬停作业、返回降落三个部分，其中，当机械臂关节运动时会造成飞行器在作业周期内的质心偏移，而在悬停作业阶段，由于无人机空间位置的浮动会造成机械臂基座的浮动，对末端执行器的精度造成影响，甚至影响作业过程。

此外，旋翼无人机姿态控制系统的稳定性和性能一直是飞行器姿态控制中的关键技术。旋翼无人机通过电机接收电调的电压信号，驱动螺旋桨提供升力和反桨扭矩，因而对无刷电机的控制精度直接决定了旋翼无人机飞行品质。但是电机由于加工精度和物理属性的限制，其转速的大小收到了严格限制，而且越靠近极限转速其非线性属性越强。另一方面，由于无人机控制精度的问题，无人机的不稳定飞行会造成挂载机械臂基座的空间位置出现一定程度变化，表现为机械臂基座的抖动，这种抖动会通过多自由度机械臂的关节进行传递，影响机械臂末端执行器的位置精度，甚至导致作业失败。因此，为了更精确的完成飞行器姿态控制，在飞行器控制算法设计的过程中必须克服上述两类主要干扰的影响。

专利申请号为CN201720515134.6中提出了一种带有柔性抓取器的飞行机械臂，借助多旋翼飞行器快速移动的特点，提高柔性抓取器抓取任务的成功率，但存在两个问题：(1)该专利并未考虑多自由度机械臂运动时造成的质心偏移干扰，会对飞行器的动力学稳定性和精度造成影响；(2)并未考虑基座浮动对抓取器的误差传递，在实际使用会受到极大限制。专利申请号为CN201721229966.8中提出了一种面向抓取作业型旋翼飞行机械臂系统，也存在类似问题：(1)并没有考虑质心偏移形成的干扰；(2)方法中没有考虑基座浮动对末端执行器造成的影响，并不能保证作业精度，因此在精度和快速性等指标上会弱于本专利所提出的方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有不足，提供一种针对质心偏移及基座浮动的飞行机械臂姿态控制方法，利用该方法能够为采用无刷电机作为主要执行机构飞行机械臂系统提供抗输出饱和与抗干扰能力，通过对外部多源干扰的估计与补偿，完成对机械臂末端执行器的高精度姿态控制。

本发明的技术解决方案为：一种针对质心偏移和基座浮动的带臂旋翼无人机姿态控制方法，其实现步骤如下：

第一步，将质心偏移和基座浮动分别看作外部干扰，其中质心偏移看作是干扰力和干扰力矩，基座浮动则建模成作用在机械臂端的集总干扰力矩，并建立含有质心偏移干扰带臂旋翼无人机耦合动力学方程。针对多旋翼飞行机械臂常见的质心偏移及基座浮动特性，同时考虑多旋翼无人机和多自由度机械臂的动力学方程，建立带臂旋翼无人机的动力学模型，表示如下：