[发明专利]一种绳系无人机自主对接系统的协调控制方法

说明书

本发明涉及一种绳系无人机自主对接系统的协调控制方法，构建自主对接系统，包括末端自主对接机构和平台系绳收放机构。对末端自主对接系统施加相应的控制，分别设计了末端四旋翼无人机再高度、水平、滚转角和偏航角的控制律。能够实现大型空中平台与地面物资自主对接的系统，最终实现对接机构和目标物体之间的对接或分离。该对接系统可广泛应用于航母舰群之间或是复杂地形的无障碍运输，利用没有地形限制的大型空中平台，能完成灵活的垂直补给、特种作战，战场救援等多种任务。利用设计的控制律，保证对接过程的稳定性和可靠性。

技术领域

本发明属于无人机技术和电机控制领域，涉及一种绳系无人机自主对接系统的协调控制方法。

背景技术

在使用旋翼直升机之类的大型空中平台吊运物资时，普遍存在空中平台与被吊运物资的对接问题。现在普遍采用的方法是通过地面工作人员手动将物资与平台挂载点连接。空中运输载体首先要尽可能的靠近待运输物资，然后地面工作人员用吊杆将挂载着物资的缆绳对接到载体上。这对操作人员，包括平台驾驶员和地面人员的相互配合提出了要求，同时工作流程复杂，具有一定的危险性。

如何实现空中平台与地面物资的自主对接自然而然成为了亟待解决的问题。尤其是在复杂环境下，如何保证自主对接系统的稳定性和可靠性，实现与物资的精准对接都需要细致的考量。目前相关的研究较少，更多的是研究对接以后物资运输的过程问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种绳系无人机自主对接系统的协调控制方法。目的在于设计一种能够实现大型空中平台与地面物资自主对接的系统，最终实现对接机构和目标物体之间的对接或分离。该对接系统可广泛应用于航母舰群之间或是复杂地形的无障碍运输，利用没有地形限制的大型空中平台，能完成灵活的垂直补给、特种作战，战场救援等多种任务。利用设计的控制律，保证对接过程的稳定性和可靠性。

技术方案

一种绳系无人机自主对接系统的协调控制方法，其特征在于协调控制步骤如下：

步骤1、构建自主对接系统：自主对接系统包括末端自主对接机构和平台系绳收放机构；以飞行器作为与地面物资的末端对接机构，电机固连在空中平台上，系绳两端分别连接电机和末端飞行器；

步骤2、对末端自主对接系统施加相应的控制：

1)构建空间坐标描述：末端四旋翼无人机在笛卡尔直角坐标系下表示，分别建立惯性坐标系O-xyz和固连在机身上的机体坐标系O_b-x_by_bz_b；

2)建立自主对接系统的动力学模型：末端自主对接系统的动力学方程分为平台系绳收放和末端四旋翼两部分：

平台系绳收放：

J为电机转动惯量，ω为电机角速度，K_t为扭矩常数，B_t为粘性摩擦系数；T和D_r分别为系绳拉力和电机转轴半径；

四旋翼：

其中(x,y,z)和(φ,θ,ψ)分别表示四旋翼的位置和欧拉角；(I_x,I_y,I_z)和m分别表示四旋翼的转动惯量和质量，为电机转轴到四旋翼中心的机臂长度，g为重力加速度；T表示系绳拉力，α，β分别表示系绳在水平面投影与x轴夹角以及系绳与水平面夹角；d_i，i＝1,…,6表示收到的干扰；

3)保持系绳控制力矩恒定：以无人机的实时位置，计算系绳的角度和长度变化，控制电机使得系绳拉力保持定值，此时系绳处于微张状态；

伺服电机的PI控制器：