[发明专利]一种无人机吊挂飞行减摆控制方法及控制系统

说明书

本发明公开一种无人机吊挂飞行减摆控制方法及控制系统，通过观测器使用控制信号U和观测器对无人机吊挂飞行系统进行观测，并在产生新的控制信号时加入观测得到的估计值以抵消扰动对系统飞行控制带来的不利影响，并且通过本发明的控制方法输出的控制信号U能够使得无人机实现高精度位置跟踪，并抑制吊挂负载的摆动，保证无人机位置跟踪误差和负载摆角在约束范围内变化。本发明的无人机吊挂飞行减摆控制系统用于实现上述的控制方法，通过观测器对无人机进行观测获取估计值，并通过反步控制器向无人机飞行系统输出控制信号，能够实现无人机位置的精确控制和吊挂负载的减摆控制。

技术领域

本发明涉及无人机控制领域，具体涉及一种无人机吊挂飞行减摆控制方法及控制系统。

背景技术

现有的无人机物品运输有两种方式，一种是将负载固定于无人机机体上，如无人机外卖配送；另一种是将负载通过缆绳吊挂在无人机下方。第一种方法不存在摆动抑制问题，将无人机和负载看成一个整体进行位置和姿态控制，主要采用的方法是PID控制，但将负载固定于无人机机体上的运输方式，会影响无人机的姿态控制，降低飞行操控的灵活性，而且需要考虑吊挂负载的外形和夹持装置，增加运输系统的复杂度和重量，降低无人机的续航时间；第二种方法由于负载是通过绳子吊挂于无人机下方，采用吊挂运输的方式，结构简单，实用性强，整个系统增加了两个自由度，但是控制输入并没有增加，所以欠驱动问题就更严重，实行位置和减摆控制的难度也就增加了，目前采用的方法主要有PID控制、线性二次型调节器(LQR)控制、自抗扰控制、反步控制、滑模控制、反馈线性化等。

在现有技术中：

线性控制主要是PID和LQR控制，而无人机吊挂飞行系统是非线性、欠驱动和强耦合的，如果系统仅限于悬停或小范围航点飞行，则可以采用线性控制，但是无人机吊挂运输时多数情形并不满足线性化条件，而且线性控制时，无人机吊挂负载的摆角幅度很大，反过来又会影响无人机的飞行稳定性；

非线性控制方法主要有自抗扰控制、反步控制、滑模控制、反馈线性化等方法，其中反馈线性化依赖于精确的数学模型，且不是所有的系统都能够反馈线性化，且系统稳定性随着被控输出的不同而发生改变；滑模控制方法的缺点在于当系统状态轨迹到达滑模面后，难以严格沿着滑模面向平衡点滑动，而是在其两侧来回穿越地趋近平衡点，容易产生高频抖振；反步控制也依赖系统地精确模型，所以对噪声与干扰的鲁棒性不强，而且反步控制器的计算与稳定性分析相对繁琐。

综上所述，急需一种无人机吊挂飞行减摆控制方法及控制系统以解决现有技术中无人机吊挂负载飞行过程中摆动抑制和抗风扰的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种无人机吊挂飞行减摆控制方法及控制系统，以解现有技术中无人机吊挂负载飞行过程中摆动抑制和抗风扰的问题，具体技术方案如下：

一种无人机吊挂飞行减摆控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：建立无人机吊挂飞行系统的动力学模型；

步骤S2：基于动力学模型，采用观测器对无人机的总扰动进行观测并结合控制信号，得到总扰动的估计值；

步骤S3：基于期望位置、无人机吊挂飞行系统的输出以及步骤S2中的估计值得到控制信号，控制信号传输至步骤S1的动力学模型以更新无人机的状态，同时将该控制信号返回步骤S2以计算新的估计值；

步骤S4：将无人机吊挂飞行系统更新后的输出分别返回步骤S2以及步骤S3，以计算新的估计值以及新的控制信号。

以上技术方案优选的，步骤S1中，所述无人机吊挂飞行系统的动力学模型如式1)所示：