CN109491250B - 一种无人机吊装运输系统吊装摆动抑制方法 - Google Patents

一种无人机吊装运输系统吊装摆动抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种无人机吊装运输系统吊装摆动抑制方法，属于挠性体运动控制技术领域。所述抑制方法的具体过程包括：步骤一、建立无人机位置闭环控制器；步骤二、在吊装部件参数确定的情况下，根据欠阻尼系统的震荡抑制原理，建立指令整形器；步骤三、建立双闭环控制器；步骤四、将步骤二的指令整形器与步骤三的双闭环控制器结合，构成带有指令整形器的双闭环控制系统。本发明所述抑制方法实现无人机吊装系统吊装部件摆角的有效抑制。

Description

一种无人机吊装运输系统吊装摆动抑制方法
技术领域
本发明涉及一种无人机吊装运输系统吊装摆动抑制方法，属于挠性体运动控制技术领域。
背景技术
在无人运输领域，成本较低的自动导引运输车在对人员、设备和运输的货物不构成威胁的情况下，已经能够在一些狭窄的生产通道中安全行驶。随着技术的发展，脱离了地面的无人机运输也已成功应用到军事和民用的很多方面。随着无人机市场的持续增长，货物运输方面的应用越来越受到关注。无人机吊装运输系统主要应用于交通不便的地方，包括快递的运输，以及灾害中(洪水、地震、火灾等其他)给受灾群众提供救给帮助，具有快捷、安全等优点。常见的无人机分为固定翼、直升机和多旋翼方式，其中四旋翼无人机工作稳定、操控灵活，可以在搜索、监视和运输上发挥重要作用。当运输货物的形状不规则或者体积较大时，固定夹持的安装方式无法适用，对于此类负载，可以通过绳索吊装的方式实现运输。
无人机的吊装部件(或负载)通过柔性绳索与无人机相连，随着无人机的运动，吊装部件会产生摆动，进而对无人机的位置跟踪精度产生影响，甚至会影响其运动的稳定性；另外，对于某些应用场合，出于对吊装部件的保护，不允许其自身产生较大的摆动；另一方面，传统的基于模型的指令整形方法，依赖于对吊装部件的精确建模，而对于实际系统，由于吊装绳长、形状不规则等因素的存在，无法仅仅依靠传统的指令整形实现精确消摆。
发明内容
本发明为了解决现有无人机控制系统方法无法精确消摆的问题，为了抑制无人机吊装部件的摆动，提出了一种无人机吊装运输系统吊装摆动抑制方法，所采取的技术方案如下：
一种无人机吊装运输系统吊装摆动抑制方法，所述抑制方法的具体过程包括：
步骤一、建立无人机位置闭环控制器，利用所述无人机位置闭环控制器使无人机的运动位置在不悬挂吊装的情况下符合预期设置；
步骤二、在吊装部件参数确定的情况下，根据欠阻尼系统的震荡抑制原理，建立指令整形器，利用指令整形器对无人机的吊装部件产生的摆角进行抑制；
步骤三、在实际系统存在参数摄动或其他系统不确定性时，利用无人机吊装运输系统的实际吊装摆角与基于标称模型计算得到的理论摆角之间的差值，建立双闭环控制器；补偿由于实际系统存在参数摄动或其他系统不确定性引起的性能损失，提高系统鲁棒性；
步骤四、将步骤二的指令整形器与步骤三的双闭环控制器结合，构成带有指令整形器的双闭环控制系统，利用所述带有指令整形器的双闭环控制系统的闭环控制实现可能存在系统不确定性的情况下，无人机吊装系统吊装部件摆角的有效抑制。
进一步地，步骤一的具体过程包括：
第一步、对无人机进行建模，得到无人机在X、Y和Z方向上的运动模型；
第二步、分别对X、Y和Z方向上的运动模型给予阶跃输入，采用无人机位置闭环控制器调整无人机吊装运输系统的性能，其中，所述无人机位置闭环控制器采用PID控制器。
进一步地，步骤二所述利用指令整形器对无人机的吊装部件产生的摆角进行抑制的具体过程包括：
步骤1、根据欠阻尼系统的震荡抑制原理，确定出所述指令整形器的脉冲的幅值Ai和脉冲加入的时间ti；
步骤2、建立吊装部件的模型，并选用与所述吊装部件的模型相适配的整形方式；利用指令整形器对速度输入信号进行整形处理，并输出整形后的速度信号；
步骤3、利用所述整形后的速度信号对吊装部件产生的摆角进行抑制；
步骤4、在吊装部件参数确定的情况下，利用仿真手段验证指令整形器的摆角抑制效果，获得加入指令整形器和没有加入指令整形器的无人机、吊装部件的运动状况，并进行对比，获得对比结果。
进一步地，步骤三所述双闭环控制器的建立过程包括：
第1步、测量吊装部件的实际摆角，并将所述实际摆角与基于标称模型计算得到的理论摆角做差，获取所述实际吊装部件的摆角与基于标称模型计算得到的理论摆角之间的误差信号；
第2步、根据所述误差信号，利用PI控制器对所述无人机吊装运输系统的速度控制信号进行补偿，形成吊装位置闭环控制器；
第3步、将吊装位置闭环控制器与所述无人机位置闭环控制器进行结合，构成双闭环控制器，补偿由于实际系统存在参数摄动或其他系统不确定性引起的性能损失，提高系统鲁棒性。
进一步地，步骤四所述实现无人机吊装系统吊装部件摆角的有效抑制的具体过程包括：
步骤a：将所述指令整形器加入到所述双闭环控制器中对所述双闭环控制器的输出进行整形，构成带有指令整形器的双闭环控制系统；
步骤b：将指令整形器整形后的双闭环控制器输出信号分别送入无人机吊装系统标称模型和实际无人机吊装系统中，分别通过无人机吊装系统标称模型和实际无人机吊装系统获得标称模型吊装部件的摆角输出信号、实际系统吊装部件的摆角输出信号和无人机的位置信号；
步骤c：根据所述无人机的位置信号确定无人机位置闭环的PID控制器参数，根据标称模型吊装部件的摆角输出信号和实际系统吊装部件的摆角输出信号确定吊装位置闭环的PI控制器参数，通过调节PID控制器参数和PI控制器参数使所述无人机吊装系统的运动性能达到最优，实现无人机吊装系统吊装部件摆角的有效抑制；
步骤d：在存在系统不确定的情况下，用仿真的方式验证带有指令整形器的双闭环控制器的摆角抑制效果，获得带有指令整形器的双闭环控制器和仅带有指令整形器的无人机、吊装部件的运动状况，并进行对比，获得对比结果。
本发明有益效果：
本发明提出的一种无人机吊装运输系统吊装摆角的抑制方法，该方法采用指令整形器，对于吊装部件参数确定的情况，能够很好的抑制吊装在运动中的摆动；进一步地，设计带有指令整形器的双闭环控制器，该方法对吊装部件的建模误差不敏感，即使在吊装部件参数变化幅度较大的情况，仍然能够对吊装部件的摆动进行有效抑制，减小吊装部件的摆动角度。
附图说明
图1为本发明使用的结合指令整形的双闭环控制系统的框图，其中，Pd为位置输入信号，Pe为位置误差信号，Vd为指令整形器速度输入信号，Vs为经整形后的速度信号，Pmpayload为标称模型吊装部件的摆角输出信号，Papayload为实际系统吊装部件的摆角输出信号，Vc为速度补偿信号，Paquadrotor为无人机的位置信号；
图2为指令整形的原理图；
图3为在可以确定系统参数的情况下，系统有无指令整形器的无人机路径和吊装路径图；
图4为图3的局部放大图；
图5为在实际系统将标称模型中绳长参数由1m变为1.5m后的情况下，系统仅有指令整形器和具有指令整形器的双闭环控制器的无人机路径和吊装路径图；
图6为图5的局部放大图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
一种无人机吊装运输系统吊装摆动抑制方法，所述抑制方法的具体过程包括：
步骤一、建立无人机位置闭环控制器，利用所述无人机位置闭环控制器使无人机的运动位置在不悬挂吊装的情况下符合预期设置；
步骤二、在吊装部件参数确定的情况下，根据欠阻尼系统的震荡抑制原理，建立指令整形器，利用指令整形器对无人机的吊装部件产生的摆角进行抑制；
步骤三、利用无人机吊装运输系统的实际吊装摆角与基于标称模型计算得到的理论摆角之间的差值，建立双闭环控制器，补偿由于实际系统存在参数摄动或其他系统不确定性引起的性能损失，提高系统鲁棒性；
步骤四、将步骤二的指令整形器与步骤三的双闭环控制器结合，构成带有指令整形器的双闭环控制系统，利用所述带有指令整形器的双闭环控制系统的闭环控制在保证无人机位置跟踪和可能存在系统不确定性的情况下，实现无人机吊装系统吊装部件摆角的有效抑制。
其中，步骤一的具体过程包括：
第一步、对无人机进行建模，得到无人机在X、Y和Z方向上的运动模型；
第二步、分别对X、Y和Z方向上的运动模型给予阶跃输入，采用无人机位置闭环控制器调整无人机吊装运输系统的性能，其中，所述无人机位置闭环控制器采用PID控制器。
步骤二所述利用指令整形器对无人机的吊装部件产生的摆角进行抑制的具体过程包括：
步骤1、根据欠阻尼系统的震荡抑制原理，确定出所述指令整形器的脉冲的幅值Ai和脉冲加入的时间ti；
步骤2、建立吊装部件的模型，并选用与所述吊装部件的模型相适配的整形方式；利用指令整形器对速度输入信号进行整形处理，并输出整形后的速度信号；
步骤3、利用所述整形后的速度信号对吊装部件产生的摆角进行抑制；
步骤4、在吊装部件参数确定的情况下，利用仿真手段验证指令整形器的摆角抑制效果，获得加入指令整形器和没有加入指令整形器的无人机、吊装部件的运动状况，并进行对比，获得对比结果。
步骤三所述双闭环控制器的建立过程包括：
第1步、测量吊装部件的实际摆角，并将所述实际摆角与基于标称模型计算得到的理论摆角做差，获取所述吊装部件的实际摆角与基于标称模型计算得到的理论摆角之间的误差信号；
第2步、根据所述误差信号，利用PI控制器对所述无人机吊装运输系统的速度控制信号进行补偿，形成吊装位置闭环控制器；
第3步、将吊装位置闭环控制器与所述无人机位置闭环控制器进行结合，构成双闭环控制器，补偿由于实际系统存在参数摄动或其他系统不确定性引起的性能损失，提高系统鲁棒性。
步骤四将步骤二的指令整形器与步骤三的双闭环控制器结合，构成带有指令整形器的双闭环控制系统，在保证无人机位置跟踪和可能存在系统不确定性的情况下，实现无人机吊装系统吊装部件摆角的有效抑制，其中，所述实现无人机吊装系统吊装部件摆角的有效抑制的具体过程包括：
步骤a：将所述指令整形器加入到所述双闭环控制器中对所述双闭环控制器的输出进行整形，构成带有指令整形器的双闭环控制系统；
步骤b：将指令整形器整形后的双闭环控制器输出信号分别送入无人机吊装系统标称模型和实际无人机吊装系统中，分别通过无人机吊装系统标称模型和实际无人机吊装系统获得标称模型吊装部件的摆角输出信号、实际系统吊装部件的摆角输出信号和无人机的位置信号；
步骤c：根据所述无人机的位置信号确定无人机位置闭环的PID控制器参数，根据标称模型吊装部件的摆角输出信号和实际系统吊装部件的摆角输出信号确定吊装位置闭环的PI控制器参数，通过调节PID控制器参数和PI控制器参数使所述无人机吊装系统的运动性能达到最优，实现无人机吊装系统吊装部件摆角的有效抑制；
步骤d：在存在系统不确定的情况下，用仿真的方式验证带有指令整形器的双闭环控制器的摆角抑制效果，获得带有指令整形器的双闭环控制器和仅带有指令整形器的无人机、吊装部件的运动状况，并进行对比，获得对比结果，用以确定所述抑制方法的效果和实用性。
根据图3和图4表示的路径，可以得出在吊装部件参数确定的情况下，在系统中加入指令整形器可以有效的抑制吊装部件的摆动，摆动的角度最大为17.88°；无指令整形器的系统在无人机进行转弯时，吊装部件摆动明显，最大值达到了54.95°。
根据图5和图6表示的路径，在存在系统不确定性的情况下，带有指令整形器的双闭环系统可以有效的抑制吊装部件的摆动，摆动的角度最大为14.18°；仅具有指令整形器的系统在无人机进行转弯时，吊装部件摆动明显，最大值达到了61.24°。
本发明提出的一种无人机吊装运输系统吊装摆角的抑制方法，该方法采用指令整形器，对于吊装部件参数确定的情况，能够很好的抑制吊装在运动中的摆动；进一步地，设计带有指令整形器的双闭环控制器，该方法对吊装部件的建模误差不敏感，即使在吊装部件参数变化幅度较大的情况，仍然能够对吊装部件的摆动进行有效抑制，减小吊装部件的摆动角度。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种无人机吊装运输系统吊装摆动抑制方法，其特征在于，所述抑制方法的具体过程包括：
步骤一、建立无人机位置闭环控制器，利用所述无人机位置闭环控制器使无人机的运动位置在不悬挂吊装的情况下符合预期设置；
步骤二、在吊装部件参数确定的情况下，根据欠阻尼系统的震荡抑制原理，建立指令整形器，利用指令整形器对无人机的吊装部件产生的摆角进行抑制；
步骤三、在实际系统存在参数摄动或其他系统不确定性时，利用无人机吊装运输系统的实际吊装摆角与基于标称模型计算得到的理论摆角之间的差值，建立双闭环控制器；
步骤四、将步骤二的指令整形器与步骤三的双闭环控制器结合，构成带有指令整形器的双闭环控制系统，利用所述带有指令整形器的双闭环控制系统的闭环控制实现存在系统不确定性的情况下，无人机吊装系统吊装部件摆角的有效抑制。
2.根据权利要求1所述无人机吊装运输系统吊装摆动抑制方法，其特征在于，步骤一的具体过程包括：
第一步、对无人机进行建模，得到无人机在X、Y和Z方向上的运动模型；
第二步、分别对X、Y和Z方向上的运动模型给予阶跃输入，采用无人机位置闭环控制器调整无人机吊装运输系统的性能，其中，所述无人机位置闭环控制器采用PID控制器。
3.根据权利要求1所述无人机吊装运输系统吊装摆动抑制方法，其特征在于，步骤二所述利用指令整形器对无人机的吊装部件产生的摆角进行抑制的具体过程包括：
步骤1、根据欠阻尼系统的震荡抑制原理，确定出所述指令整形器的脉冲的幅值Ai和脉冲加入的时间ti；
步骤2、建立吊装部件的模型，并选用与所述吊装部件的模型相适配的整形方式；利用指令整形器对速度输入信号进行整形处理，并输出整形后的速度信号；
步骤3、利用所述整形后的速度信号对吊装部件产生的摆角进行抑制；
步骤4、在吊装部件参数确定的情况下，利用仿真手段验证指令整形器的摆角抑制效果，获得加入指令整形器和没有加入指令整形器的无人机、吊装部件的运动状况，并进行对比，获得对比结果。
4.根据权利要求1所述无人机吊装运输系统吊装摆动抑制方法，其特征在于，步骤三所述双闭环控制器的建立过程包括：
第1步、测量吊装部件的实际摆角，并将所述实际摆角与基于标称模型计算得到的理论摆角做差，获取所述吊装部件的实际摆角与基于标称模型计算得到的理论摆角之间的误差信号；
第2步、根据所述误差信号，利用PI控制器对所述无人机吊装运输系统的速度控制信号进行补偿，形成吊装位置闭环控制器；
第3步、将吊装位置闭环控制器与所述无人机位置闭环控制器进行结合，构成双闭环控制器。
5.根据权利要求1所述无人机吊装运输系统吊装摆动抑制方法，其特征在于，步骤四所述无人机吊装系统吊装部件摆角的有效抑制的具体过程包括：
步骤a：将所述指令整形器加入到所述双闭环控制器中对所述双闭环控制器的输出进行整形，构成带有指令整形器的双闭环控制系统；
步骤b：将指令整形器整形后的双闭环控制器输出信号分别送入无人机吊装系统标称模型和实际无人机吊装系统中，分别通过无人机吊装系统标称模型和实际无人机吊装系统获得标称模型吊装部件的摆角输出信号、实际系统吊装部件的摆角输出信号和无人机的位置信号；
步骤c：根据所述无人机的位置信号确定无人机位置闭环的PID控制器参数，根据标称模型吊装部件的摆角输出信号和实际系统吊装部件的摆角输出信号确定吊装位置闭环的PI控制器参数，通过调节PID控制器参数和PI控制器参数使所述无人机吊装系统的运动性能达到最优，实现无人机吊装系统吊装部件摆角的有效抑制；
步骤d：在存在系统不确定的情况下，用仿真的方式验证带有指令整形器的双闭环控制器的摆角抑制效果，获得带有指令整形器的双闭环控制器和仅带有指令整形器的无人机、吊装部件的运动状况，并进行对比，获得对比结果。
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