CN110221543B - 一种利用系绳/推力协调的无人机吊挂系统摆动抑制方法 - Google Patents

一种利用系绳/推力协调的无人机吊挂系统摆动抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种种利用系绳/推力协调的无人机吊挂系统摆动抑制方法，利用安装在多旋翼无人机上的系绳收放装置和多旋翼无人机的螺旋桨推力抑制系绳摆动，避免单纯利用螺旋桨推力抑制摆动时产生的无人机位姿误差过大的问题，避免了系绳摆动抑制和多旋翼无人机位姿控制的需求冲突，具有很好的实用性。利用系绳收放装置实现系绳摆动抑制，避免了利用无人机螺旋桨推力进行摆动抑制时的推力要求与无人机位姿控制过程中的推力要求产生冲突的情况，能够在实现无人机位置误差很小情况下的系绳摆动抑制，满足无人机实现精确轨迹跟踪的需求。此外，结合无人机推力共同抑制系绳摆动，可以取得更好的摆动抑制效果。

Description

一种利用系绳/推力协调的无人机吊挂系统摆动抑制方法
技术领域
本发明属于无人机吊挂飞行控制领域，涉及一种利用系绳/推力协调的无人机吊挂系统摆动抑制方法，具体涉及一种在无人机吊挂飞行过程中利用系绳收放作用和无人机推力协调控制的摆动抑制方法。
背景技术
随着多旋翼无人机技术的快速发展，多旋翼无人机已经应用在了自然灾害、警用和军用任务中的高空侦查、农业植保、快递投放以及货物运输等众多军事和民事领域。其中利用多旋翼无人机安装绳索吊挂货物进行运输是一种有效的货物运输手段。同时，由于无人机吊挂系统运输货物的快速性和对多种复杂运输环境的适应性，无人机吊挂飞行得到国内外研究人员的日益关注。
在多旋翼无人机吊挂飞行过程中，多旋翼无人机的控制力由多旋翼无人机的螺旋桨推力提供，此外由于外界条件的影响，需要对系绳进行收放操作，降低飞行过程中外界环境对多旋翼无人机系绳捕获系统发生碰撞、钩挂的风险，同时，降低多旋翼无人机的避障及轨迹跟踪控制难度。在无人机吊挂系统运动过程中，主要的难题是保持多旋翼无人机、系绳、吊挂物体的组合体系统的姿态稳定。这包括三方面内容：1、多旋翼无人机姿态保持；2、吊挂物体姿态保持；3、系绳姿态保持。由于多旋翼无人机具有完善的飞行控制系统，同时由于其具有的欠驱动特性，多旋翼无人机的控制系统通过利用螺旋桨推力能够完成飞行过程中的位置和姿态控制；由于重力和系绳拉力的原因，吊挂物体的姿态在飞行过程中处于相对稳定的范围内；在系绳姿态保持方面，发表于2015年《Proceeding of IEEE Conferenceon Robotics and Automation(ICRA)》的文章“Mixed integer quadratic programtrajectory generation for a quadrotor with a cable-suspended payload.”和2017年同样在《Proceeding of IEEE Conference on Robotics and Automation(ICRA)》发表的文章“Autonomous swing-angle estimation for stable slung-load flight ofmulti-rotor UAVs”给出了利用轨迹规划的方法，引导无人机吊挂系统进行避障飞行的方法。在2016年，《控制理论与应用》的文章“无人机吊挂飞行的非线性控制方法设计”，用能量分析的方法设计了非线性控制器，能够对无人机吊挂系统飞行过程的系绳摆动进行有效抑制。但是，上述运用轨迹规划和控制器设计的方法很大程度上利用了多旋翼无人机的螺旋桨推力，由于多旋翼无人机的欠驱动特性，当较大程度上利用螺旋桨推力抑制系绳摆动时，会和多旋翼无人机的位置和姿态控制需求产生冲突，使多旋翼无人机吊挂系统在飞行过程中产生较大的位置和姿态误差。
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，本发明提出一种利用系绳/推力协调的无人机吊挂系统摆动抑制方法。
技术方案
一种利用系绳/推力协调的无人机吊挂系统摆动抑制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、建立含有系绳收放运动的多旋翼无人机吊挂系统动力学模型：Oxz为惯性坐标系，O1xbzb为多旋翼无人机的本体坐标系；动力学模型为：
Figure BDA0002089151650000021
m1为多旋翼无人机质量，m2为吊挂物体质量，
Figure BDA0002089151650000022
是系绳的面内摆角，L为系绳长度，x1,z1,x2,z2分别是多旋翼无人机和吊挂物体在惯性系中的位置，g是重力加速度，螺旋桨推力分解到垂直于系绳方向Fnx和沿系绳方向Fny；
步骤2、设计期望系绳长度的收放规律：
收放规律即为系绳收放速度为：
Figure BDA0002089151650000031
每次系绳收放的长度为：
Figure BDA0002089151650000032
其中：kl是设定的系数，
Figure BDA0002089151650000033
是最近系绳摆动周期的幅值；
每次系绳收放的时间为：
Figure BDA0002089151650000034
其中：k是设定的系数，
Figure BDA0002089151650000035
是系绳原长条件下的摆动周期，L0是系绳原长；
步骤3、设计含有系绳收放的多旋翼无人机吊挂系统控制器：
Figure BDA0002089151650000036
其中：
Figure BDA0002089151650000037
由第二步中给定的系绳收放速度的微分得到，L和
Figure BDA0002089151650000038
都是引入的系绳收放规律对无人机控制力产生的反馈，xcontrol,zcontrol是多旋翼无人机的位置误差经过PID控制器的控制量；
所述
Figure BDA0002089151650000039
其中，
Figure BDA00020891516500000310
为多旋翼无人机的位置误差，xd,zd是多旋翼无人机的期望位置。kpx,kix,kdx和kpz,kiz,kdz分别是设计的位置误差ex,ez PID控制器的比例项、积分项和微分项系数；
步骤4：以多旋翼无人机吊挂系统控制器控制无人机推力的输出，结合步骤2的系绳收放速度，抑制无人机吊挂系统的摆动。
所述系数kl和k的取值为：0～10。
有益效果
本发明提出的一种利用系绳/推力协调的无人机吊挂系统摆动抑制方法，利用安装在多旋翼无人机上的系绳收放装置和多旋翼无人机的螺旋桨推力抑制系绳摆动，避免单纯利用螺旋桨推力抑制摆动时产生的无人机位姿误差过大的问题，避免了系绳摆动抑制和多旋翼无人机位姿控制的需求冲突，具有很好的实用性。
本发明与国内外同类技术对比，具有的积极效果如下：
利用系绳收放装置实现系绳摆动抑制，避免了利用无人机螺旋桨推力进行摆动抑制时的推力要求与无人机位姿控制过程中的推力要求产生冲突的情况，能够在实现无人机位置误差很小情况下的系绳摆动抑制，满足无人机实现精确轨迹跟踪的需求。此外，结合无人机推力共同抑制系绳摆动，可以取得更好的摆动抑制效果。
附图说明
图1是无人机吊挂系统运动过程示意图
图2是利用系绳收放的系绳摆动抑制方法控制流程图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
第一步：建立含有系绳收放运动的多旋翼无人机吊挂系统动力学模型
假设：1、由于运动过程中，系绳一直处于绷紧状态，忽略系绳弹性、柔性及质量；
2、忽略吊挂物体的姿态，将吊挂物体看作质点；
3、将系绳与多旋翼无人机的连接点与无人机质心重合。
4、由于系绳的面内摆角和面外摆角可解耦，忽略面外摆动
无人机吊挂飞行运动过程如附图1所示，1为多旋翼无人机，2为系绳，3为吊挂物体，4是惯性坐标系。由于忽略了系绳的面外摆动，故可以只考虑无人机在平面内的运动，模型简化为二维模型。Oxz为惯性坐标系，O1xbzb为多旋翼无人机的本体坐标系。θ是O1xb轴和Ox轴的夹角即无人机的俯仰角，
Figure BDA0002089151650000059
是系绳的面内摆角，L为系绳长度。m1为多旋翼无人机质量，m2为吊挂物体质量，F是多旋翼无人机旋翼的推力。x1,z1,x2,z2分别是多旋翼无人机和吊挂物体在惯性系中的位置。
利用牛顿-欧拉法分析多旋翼无人机和吊挂物体的受力运动情况：
Figure BDA0002089151650000051
其中，g是重力加速度，Fx和Fz是多旋翼无人机螺旋桨推力F在惯性坐标系中沿各轴的分量，T是系绳上的拉力大小。
Figure BDA0002089151650000052
分别为x1,z1,x2,z2的二阶导数。
分析多旋翼无人机和吊挂物体的运动关系：
Figure BDA0002089151650000053
其中，
Figure BDA0002089151650000054
为绳长L的一阶和二阶导数，
Figure BDA0002089151650000055
为系绳摆角
Figure BDA0002089151650000056
的一阶和二阶导数。
联立(1)(2)得到多旋翼无人机吊挂系统的二维动力学模型：
Figure BDA0002089151650000057
为了便于分析和表示方便，将螺旋桨推力分解到垂直于系绳方向Fnx和沿系绳方向Fny。则动力学模型变为：
Figure BDA0002089151650000058
第二步，设计期望系绳长度的收放规律
设计系绳的收放长度、时间和速度，使系绳摆角能够在系绳收放作用下，完成摆动抑制。
将(4)中描述系绳摆角运动规律第三式提出得到：
Figure BDA0002089151650000061
分析系绳摆角加速度的运动规律，第一项
Figure BDA0002089151650000062
是无人机螺旋桨推力引起的摆动角加速度，其中
Figure BDA0002089151650000063
第二项是科里奥力引起的加速度，当
Figure BDA0002089151650000064
时，第二项与
Figure BDA0002089151650000065
的符号相反，该项为正阻尼项，同时
Figure BDA0002089151650000066
的值越大，阻尼的值越大，系绳的摆动抑制效果越好，所以在摆动角速度的最大值处(即
Figure BDA0002089151650000067
处)进行放绳最利于摆动抑制。当
Figure BDA0002089151650000068
时，第二项与
Figure BDA0002089151650000069
的符号相同，该项为负阻尼项，会促进系绳的摆动，当摆动角速度
Figure BDA00020891516500000610
的值越小，该项阻尼的值越小，摆动的促进效果越小，所以在摆动速度的最小值处(即
Figure BDA00020891516500000611
处)进行收绳最利于摆动抑制。
根据系绳摆动抑制的条件，设计系绳收放规律：
每次系绳收放的时间为：
Figure BDA00020891516500000612
其中k是设定的系数，
Figure BDA00020891516500000613
是系绳原长条件下的摆动周期，L0是系绳原长。
每次系绳收放的长度为：
Figure BDA00020891516500000614
其中,kl是设定的系数，
Figure BDA00020891516500000615
是最近系绳摆动周期的幅值。
取系绳收放速度为：
Figure BDA0002089151650000071
根据摆动抑制的要求，在系绳摆角满足
Figure BDA0002089151650000072
和
Figure BDA0002089151650000073
时对系绳进行收紧，系绳回收速度为
Figure BDA0002089151650000074
回收时间为Δt。当系绳摆角满足
Figure BDA0002089151650000075
和
Figure BDA0002089151650000076
时对系绳进行释放，系绳释放速度为
Figure BDA0002089151650000077
回收时间为Δt。在同一系绳摆动周期内，由于系绳收放的长度相等(摆动幅值相同)，所以在每个摆动周期后，系绳保持原绳长不变。
第三步：设计含有系绳收放的多旋翼无人机吊挂系统控制器
含有系绳收放的无人机吊挂系统控制器主要依靠系绳收放实现系绳摆动抑制，在设计好能够抑制系绳摆动的系绳收放规律后，根据设计的系绳收放规律，为了控制无人机的质心位置沿期望的轨迹运动，设计基于PID控制的含有系绳收放的无人机吊挂系统控制器如下：
Figure BDA0002089151650000078
其中：
Figure BDA0002089151650000079
由第二步中给定的系绳收放速度的微分得到，L和
Figure BDA00020891516500000710
都是引入的系绳收放规律对无人机控制力产生的反馈，xcontrol,zcontrol是多旋翼无人机的位置误差经过PID控制器的控制量：
Figure BDA00020891516500000711
其中，
Figure BDA00020891516500000712
为多旋翼无人机的位置误差，xd,zd是多旋翼无人机的期望位置。kpx,kix,kdx和kpz,kiz,kdz分别是设计的位置误差ex,ez PID控制器的比例项、积分项和微分项系数。
第四步：以多旋翼无人机吊挂系统控制器控制无人机推力的输出，结合步骤2的系绳收放速度，抑制无人机吊挂系统的摆动。

Claims (2)

1.一种利用系绳/推力协调的无人机吊挂系统摆动抑制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、建立含有系绳收放运动的多旋翼无人机吊挂系统动力学模型：Oxz为惯性坐标系，O1xbzb为多旋翼无人机的本体坐标系；动力学模型为：
Figure FDA0002089151640000011
m1为多旋翼无人机质量，m2为吊挂物体质量，
Figure FDA0002089151640000012
是系绳的面内摆角，L为系绳长度，x1,z1,x2,z2分别是多旋翼无人机和吊挂物体在惯性系中的位置，g是重力加速度，螺旋桨推力分解到垂直于系绳方向Fnx和沿系绳方向Fny；
步骤2、设计期望系绳长度的收放规律：
收放规律即为系绳收放速度为：
Figure FDA0002089151640000013
每次系绳收放的长度为：
Figure FDA0002089151640000014
其中：kl是设定的系数，
Figure FDA0002089151640000015
是最近系绳摆动周期的幅值；
每次系绳收放的时间为：
Figure FDA0002089151640000016
其中：k是设定的系数，
Figure FDA0002089151640000017
是系绳原长条件下的摆动周期，L0是系绳原长；
步骤3、设计含有系绳收放的多旋翼无人机吊挂系统控制器：
Figure FDA0002089151640000018
其中：
Figure FDA0002089151640000019
由第二步中给定的系绳收放速度的微分得到，L和
Figure FDA00020891516400000110
都是引入的系绳收放规律对无人机控制力产生的反馈，xcontrol,zcontrol是多旋翼无人机的位置误差经过PID控制器的控制量；
所述
Figure FDA0002089151640000021
其中，
Figure FDA0002089151640000022
为多旋翼无人机的位置误差，xd,zd是多旋翼无人机的期望位置；kpx,kix,kdx和kpz,kiz,kdz分别是设计的位置误差ex,ez PID控制器的比例项、积分项和微分项系数；
步骤4：以多旋翼无人机吊挂系统控制器控制无人机推力的输出，结合步骤2的系绳收放速度，抑制无人机吊挂系统的摆动。
2.根据权利要求1所述利用系绳/推力协调的无人机吊挂系统摆动抑制方法，其特征在于：所述系数kl和k的取值为：0～10。
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