[发明专利]一种基于滑模PID控制的飞行机械臂

摘要

本发明公开了一种基于滑模PID控制的飞行机械臂，考虑到四旋翼的欠驱动问题，即4个输入控制6个自由度，可以充分利用系统的耦合特性，建立姿态角与位置和高度控制量U1之间的数学关系，从而通过控制姿态角和位置高度来实现轨迹跟踪的目的。将系统分为一个全驱动子系统和一个欠驱动子系统，既可实现四旋翼飞行器的空中飞行功能，又可达到机械手在空中抓取功能的基于四旋翼飞行器的运载机械手，可以根据物体不同的运动对机械臂进行快速、准确的控制，能够针对不同状态的物体运动实现稳定的跟踪并进行抓取。

主权项

1.一种基于滑模PID控制的飞行机械臂，其特征在于，考虑到四旋翼的欠驱动问题，即4个输入控制6个自由度，充分利用系统的耦合特性，建立姿态角与位置和高度控制量U1之间的数学关系，将系统分为一个全驱动子系统和一个欠驱动子系统，主要步骤如下；1)首先通过欧拉庞卡莱方程建立四轴无人机的动力学模型，得到7个姿态角加速度，包括x,y,z轴方向上的加速度，翻滚角加速度、偏航角加速度，俯仰角加速度和机械臂运动加速度通过这些加速度实现对无人机各个控制器的反解算；2)设计滑模PID控制器，分为两个步骤，第一步设计滑模面，设滑模面为s＝0，并采用指数趋近率，第二步设计无人机控制律，将滑模控制和PID控制进行结合，设计滑模PID控制器；3)通过计算得到无人机俯仰、翻滚、偏航和上下运动的四种控制律，根据求得的控制律搭建仿真图，并进行仿真设计，将无人机的硬件架构参数输入到无人机仿真模型中去，对无人机的姿态数据进行控制；4)构造Lyapunov函数的方法来对系统的稳定性进行证明；5)最后为了证明滑模PID的优点，与传统的PID控制进行比较实验，在机械臂不同的运动状况和加干扰的情况下对两种控制进行比较，最终得到仿真控制图。