[发明专利]基于优化预设性能的消防无人机软体机械臂控制系统

权利要求书

1.基于优化预设性性能的消防无人机软体机械臂控制系统，所述基于优化预设性性能的消防无人机软体机械臂控制系统用于控制消防无人机配套软体机械臂，其特征在于：

所述基于优化预设性性能的消防无人机软体机械臂控制系统包括信息采集模块、软体机器臂控制模块、飞行控制模块、红外热像仪、无线通信模块、遥控器模块、电子调速模块、辅助救援模块和电源模块；

所述的信息采集模块包括烟雾传感器、温度传感器、可燃气体传感器、风向风力传感器、气压传感器和导航定位系统；

所述烟雾传感器用于对无人机所处的环境中烟雾的浓度进行检测，通过实时检测结果实施相应的救援方案；

所述温度传感器用于对无人机所处环境的温度进行检测，对温度进行分析后判断环境的危险等级，进而展开相应的救援；

所述可燃气体传感器对空气中的可燃气体进行检测，在危险来临前对环境进行风险评估并作出预警；

所述风向风力传感器和气压传感器为无人机在空中飞行过程中提供必要的稳定性保障信息；

所述导航定位系统采用GPS传感器和九轴传感器获取位置和航向信息；

所述的辅助救援模块利用消防无人机的承载能力，通过消防无人机携带应急救援设备进行救援；

所述软体机器臂控制模块包括软体机械臂运动控制器，通过将PID控制与预设性性能控制算法相结合，利用PID控制结构和以对数形式误差变换为基础的预设性性能函数来进行控制；

具体控制系统如下；

(1)对于具有N自由度的软体机械臂动力学方程表示为如下形式：

式中，q(t)、表示关节的角位移、角速度和角加速度；M(q)∈R^n*n表示机械臂的惯性矩阵；表示哥氏力和离心力向量；C_V表示正定的黏性关节摩擦系数矩阵；G(q)∈Rⁿ表示重力向量；F表示外部扰动；Γ∈Rⁿ表示输入力矩向量；

(2)消防无人机软体机械臂控制系统，该系统的期望输入关节角位移为q_d，输出关节角位移为q，误差变量定义为：

e＝q-q_d,e,q,q_d∈Rⁿ；

(3)控制目标就是控制误差为了控制误差更好地趋近于零，引入预设性性能控制函数ρ(t)，并有如下关系：

-ρ_i(t)＜e_i(t)＜ρ_i(t),e_i(0)＞0,i＝1,2,...,n

由该关系可知，误差界线将被限制在-ρ(t)和ρ(t)所包围的区域内，另外，结合函数ρ(t)的递减特性可知，误差e(t)迅速收敛到0的一个极小领域内，因此，通过设定衰减的预设性性能控制函数ρ_i(t)来实现对系统响应误差进行动态性能控制；

(4)基于预设性性能控制原理，设x_i＝e_i(t)/ρ_i(t)，引入对数形式的误差变换函数ε_i(t)＝H[x_i(t)]，其中：

式中，H_i[x_i(t)],i＝1,2,...,n,可以视为在误差变换函数定义域内递增的双射：

H[x_i(t)]:D_xi→R,i＝1,2,...,n

式中，D_xi是误差变换函数H[x_i(t)]的定义域：

(5)设计软体机械臂预设性性能到达点运动控制器，也就是目标位移q_d是常数的情况下控制关节角达到预定的位置，该控制器的设计包括以下几个步骤：

对于n个关节机械臂，建立衰减速度相同的预设性性能函数，预设性性能函数可设为如下形式的衰减函数：

ρ_i(t)＝[ρ_i(0)]exp(-l_it)+ρ_i(∞),i＝1,2,...,n

式中：ρ_i(0)、ρ_i(∞)、l_i都为正常数；ρ_i(0)表示衰减的预设性性能控制函数初值且ρ_i(0)＞e_i(0)；ρ_i(∞)表示稳态误差值；l_i表示预设性性能函数的衰减速度，其值越大系统响应的调节时间越短，l_i参数虽然在理论上能够取所有大于零的常数，但是在实际运用中必须考虑控制器是否能提供足够的功率来满足系统的需求；

以误差变换函数为基础，结合PID控制规律设计预设性性能PID控制算法，其控制率为：

式中：K_p、K_v为PID参数，K_ε为预设性性能增益参数，都是正定的对角常数矩阵；当K_ε为零时，该控制器就变成单一的PID控制器，J_H(t)＝diag[J_H1(T),J_H2(T),...,J_Hn]，表示误差转换函数，其中：

预设性性能PID控制器主要分为PID控制和预设性性能控制两部分，其中预设性性能控制部分主要用来提高响应速度和减少超调量；

(6)将控制律式代入机械臂动力学方程得到闭环控制系统：

定义闭环系统状态变量S：

式中，闭环系统中的变量q、e、ε都可以用状态变量表示为：

(7)定义向量函数ε(x)的定义域为卡迪尔空间D_xi(i＝1,2,...,n)的乘积；

同样定义系统状态的定义域为：

(8)定义函数式中，A(q,t)和v定义为：

(9)再定义函数

同时，满足如下方程：

(10)函数V(s,t):D*R⁺→R具有以下性质：

①具有下界的正连续系统状态变量S，当时，V(s,t)→+∞，||z||→+∞，

②当以下条件满足时V(s,t)是递减的：

(11)当以下条件满足时

存在正常数γ，同时使得函数有如下形式的下界：

(12)定义闭环系统的定义域为D，当位置和速度增益参数K_p和K_v满足(11)中的条件时得出：通过分析进一步发现，当K_v和K_p满足(11)中条件时，得到：

V(s,t)＝1-e^-V(s,t)

该函数具有如下性质：V(s,t)具有非负常数的下界；V(s,t)＜1；当或||z||→+∞时，V(s,t)→1，通过这些结论，并对(12)中的式子两边进行微分后得到：

(13)对(9)中微分方程在时间区间[0,+∞)进行积分，并代入(11)中的函数得到

因为且x→0，根据李雅普诺夫第二判断，知该系统是渐进稳定的；

所述飞行控制模块用来读取传感器数据，检测并控制消防无人机的飞行姿态，并通过对应无线通信模块使消防无人机和地面发射机进行通讯；

所述红外热像仪，由位于镜头焦平面处的红外传感探测器的矩形阵列组成；

所述无线通信模块采用两个无线模块，分别是蓝牙模块和2.4G无线模块，所述蓝牙模块用于传输消防无人机的环境信息和监测信息；所述2.4G无线模块用于飞行器和地面监控平台之间的通信，采集飞行器的飞行轨迹和姿态；

所述电子调速模块采用了四个电子调速器，给无刷电机调速，当电子调速器接受不同的控制信号时，会输出不同的功率给无刷电机，从而改变无刷电机的转速，一个无刷电机配一个电子调速器，无刷电机一端接飞行控制模块，另一端接电子调速器；

所述遥控器模块用于控制飞行器的飞行；

所述电源模块用于给各电器设备供电；

所述消防无人机软体机械臂的机械臂驱动材料部分为形状记忆合金SMA，通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应，机械臂驱动材料内有驱动器，通过内置驱动器实现自动化变化。