【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)控制，具體涉及一種全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法。
技術(shù)介紹
1、近年來(lái)，四旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如物流運(yùn)輸、影視拍攝、電力巡檢、地理勘測(cè)、偵查巡檢等。與傳統(tǒng)載人飛行器相比，四旋翼無(wú)人機(jī)具有體積小、易于操控等優(yōu)點(diǎn)，兼?zhèn)湟欢ǖ妮d荷運(yùn)輸能力。
2、四旋翼吊掛系統(tǒng)是將四旋翼無(wú)人機(jī)和吊掛物通過(guò)繩索或者吊鉤等吊掛件進(jìn)行吊掛連接，四旋翼無(wú)人機(jī)的控制目的在于將懸掛的吊掛物平穩(wěn)、安全、高效地通過(guò)四旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)送到指定目標(biāo)位置，為了達(dá)到控制目的，通過(guò)調(diào)節(jié)四旋翼無(wú)人機(jī)控制器的輸出對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制。
3、四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛運(yùn)輸系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了空中懸掛和運(yùn)輸，而且能將人與運(yùn)輸物品完全隔離，避免了在大氣中高空操作或者地面運(yùn)輸時(shí)因掛載物品過(guò)重而造成的安全事故。這種方式無(wú)需考慮吊掛物的外形，相較于負(fù)載固定在無(wú)人機(jī)機(jī)身上的運(yùn)輸方式，避免了負(fù)載外形與機(jī)身不匹配的問(wèn)題，并能極大地降低負(fù)載對(duì)無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響。
4、在一些四旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)法安全著陸的場(chǎng)景中，如地面存在陡峭的斜坡或進(jìn)行排雷排爆工作時(shí)，四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛運(yùn)輸可在懸停狀態(tài)下，將負(fù)載從空中安全投放在地面。這種裝置的出現(xiàn)，使得一些原本只能通過(guò)人力或者機(jī)械設(shè)備進(jìn)行的操作變得更加高效、便捷。
5、四旋翼吊掛運(yùn)輸系統(tǒng)雖然具有種種優(yōu)勢(shì)，但目前仍存在諸多挑戰(zhàn)。首先四旋翼吊掛系統(tǒng)本身就是一個(gè)多自由度、強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，運(yùn)輸過(guò)程中若負(fù)載劇烈擺動(dòng)會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在空中出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，尤其是在風(fēng)力較大或者復(fù)雜環(huán)境
6、例如公開號(hào)為cn110320925b的中國(guó)專利技術(shù)專利，提供了一種基于高階干擾觀測(cè)器的四旋翼飛行器安全控制方法，用于解決四旋翼飛行器容易受到外界干擾存在飛行器安全性不強(qiáng)的問(wèn)題；但該方案存在以下三方面的不足：
7、首先，所研究的模型不同，上述方案研究的模型是單純的四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，不存在非線性和耦合性模型。
8、其次，干擾處理方法不同，該方案采用的高階干擾觀測(cè)器方法設(shè)計(jì)和證明過(guò)程更為繁瑣。
9、最后，該方案并未考慮狀態(tài)受限問(wèn)題，而狀態(tài)受限會(huì)影響到系統(tǒng)性能，因此不能滿足實(shí)際的使用需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的是提供一種全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法，解決目前四旋翼無(wú)人機(jī)抗擾減擺效果不佳的技術(shù)問(wèn)題。
2、本專利技術(shù)解決上述技術(shù)問(wèn)題的方案：
3、一種全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法，包括以下步驟：
4、s1、根據(jù)拉格朗日建模方法和牛頓-歐拉方程建立包含未知干擾的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)非線性模型；
5、s2、采用在線軌跡規(guī)劃方法生成所述四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)非線性模型的參考軌跡信號(hào)；
6、s3、對(duì)步驟s1中所述未知干擾通過(guò)補(bǔ)償函數(shù)觀測(cè)器進(jìn)行估計(jì)，得到干擾項(xiàng)的估計(jì)值；
7、s4、根據(jù)障礙lyapunov函數(shù)構(gòu)建四旋翼無(wú)人機(jī)的魯棒自適應(yīng)減擺控制器，根據(jù)步驟s3得到的估計(jì)值對(duì)所述魯棒自適應(yīng)減擺控制器進(jìn)行補(bǔ)償，得到魯棒自適應(yīng)減擺控制器的輸出值；
8、s5、根據(jù)步驟s2得到的參考軌跡信號(hào)與步驟s4得到的輸出值，實(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)的抗擾減擺。
9、進(jìn)一步限定，所述步驟s1具體為：
10、根據(jù)拉格朗日建模方法和牛頓-歐拉方程，建立包含未知干擾的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)非線性模型：
11、
12、其中，a(ρ)為對(duì)稱慣性矩陣，為科氏力矩陣，c(ρ)為重力矢量矩陣；
13、ρ為所述四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)的狀態(tài)向量，ρ＝[x,y,z,φs,θs]t，x、y和z分別表示四旋翼無(wú)人機(jī)在地面坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)值，φs為吊掛物繞x軸的橫向擺角，θs為吊掛物繞y軸的縱向擺角；
14、fs＝[ns+d1,0,0]t，ns＝-rsests+(mq+ml)ges，es＝[0,0,1]t，rs表示從機(jī)體坐標(biāo)系到地面坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，ts表示總升力，d1表示位置環(huán)的未知干擾，mq表示四旋翼無(wú)人機(jī)的質(zhì)量，ml表示吊掛物的質(zhì)量，g為重力加速度；
15、qs＝[φ,θ,ψ]t表示四旋翼無(wú)人機(jī)的實(shí)際姿態(tài)角向量，φ為四旋翼無(wú)人機(jī)的實(shí)際滾轉(zhuǎn)角，θ為四旋翼無(wú)人機(jī)的實(shí)際俯仰角，ψ為四旋翼無(wú)人機(jī)的實(shí)際偏航角；
16、ωs＝[p,q,r]t表示四旋翼無(wú)人機(jī)的姿態(tài)角速率向量，p表示四旋翼無(wú)人機(jī)在機(jī)體坐標(biāo)系中的滾轉(zhuǎn)速率向量，q表示四旋翼無(wú)人機(jī)在機(jī)體坐標(biāo)系中的俯仰速率向量，r表示四旋翼無(wú)人機(jī)在機(jī)體坐標(biāo)系中的偏航角速率向量；
17、hs表示姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)矩陣，js＝diag{jsx,jsy,jsz}表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣，jsx、jsy和jsz分別為四旋翼無(wú)人機(jī)繞x軸、y軸和z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ms表示控制力矩向量，d2表示姿態(tài)環(huán)的未知干擾。
18、進(jìn)一步限定，所述四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)滿足以下約束：
19、
20、其中，i′＝1，2，3，qsi′為qs的第i′個(gè)元素，ωsi′為ωs的第i′個(gè)元素，u為x的導(dǎo)數(shù)，v為y的導(dǎo)數(shù)，w為z的導(dǎo)數(shù)，和均為常數(shù)。
21、進(jìn)一步限定，所述步驟s2包括以下步驟：
22、s21、設(shè)定四旋翼無(wú)人機(jī)飛行速度恒定，則其在恒定速度下飛行的終點(diǎn)位置描述為：
23、xa(t)＝pxt，ya(t)＝pyt，za(t)＝pzt
24、其中，px、py和pz均為待設(shè)計(jì)的常數(shù)，xa、ya和za分別為四旋翼無(wú)人機(jī)目標(biāo)位置在地面坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸方向的分量，t表示時(shí)間；
25、s22、根據(jù)步驟s21得到的四旋翼無(wú)人機(jī)目標(biāo)位置，計(jì)算四旋翼無(wú)人機(jī)參考軌跡的加速度：
26、
27、
28、
29、其中，xd、yd和zd分別為四旋翼無(wú)人機(jī)參考軌跡在地面坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸上的分量，為xd的加速度，為yd的加速度，為zd的加速度；
30、ρa(bǔ)(·)、ρb(·)和ρc(·)分別為四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)在地面坐標(biāo)系中沿對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸待設(shè)計(jì)的減擺分量，φs為吊掛物實(shí)際橫向擺角，θs為吊掛物實(shí)際縱向擺角；
31、s23、構(gòu)造正定lyapunov函數(shù)v0(t)：
32、
33、其中，μl表示吊掛物質(zhì)心與四旋翼無(wú)人機(jī)質(zhì)心之間的長(zhǎng)度，g為重力加速度，φs為吊掛物實(shí)際橫向擺角，θs為吊掛物實(shí)際縱向擺角；
34、s24、根據(jù)步驟s1建立的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法，其特征在于，所述步驟S1具體為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法，其特征在于，所述四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)滿足以下約束：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法，其特征在于，所述步驟S2包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法，其特征在于，所述步驟S3包括以下步驟：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法，其特征在于，所述步驟S4包括以下步驟：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法，其特征在于，所述步驟S4還包括以下步驟：
8.一種電子設(shè)備，其特征在于，包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序，所述處理器運(yùn)行所述計(jì)算機(jī)程序以使所述電子設(shè)備執(zhí)行根
9.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)所述的全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法。
10.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)所述的全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法，其特征在于，所述步驟s1具體為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法，其特征在于，所述四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)滿足以下約束：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法，其特征在于，所述步驟s2包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法，其特征在于，所述步驟s3包括以下步驟：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全狀態(tài)受限的四旋翼無(wú)人機(jī)吊掛系統(tǒng)抗擾減擺控制方法，其特征在于，所述步驟s4包括以下步驟：
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：閻坤，張妮，高嵩，陳超波，曹凱，李遼璋，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西安工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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