CN111190430B - 一种利用系绳旋翼协调的无人机吊挂负载控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用系绳旋翼协调的无人机吊挂负载控制方法，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，同时实现系绳长度控制，利用系绳收放和无人机推力协调控制加快了系绳摆动抑制速率。在无人机吊挂系统运动过程中实现绳长控制，提高了吊挂负载的抓取和释放速度，具有很好的实用性。
Description
技术领域
本发明属于无人机吊挂飞行控制领域，具体涉及一种在无人机吊挂飞行过程中利用无人机推力和系绳收放进行协调控制的系绳摆动抑制和绳长控制方法。
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，并且快速完成吊挂负载的抓取和释放。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、吊挂负载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、吊挂负载姿态保持；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，吊挂负载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 Conference on Robotics and Automation(ICRA)》的文章“Mixed integer quadratic program trajectory generation for a quadrotor with acable-suspended payload.”和2017年同样在《Proceeding of IEEE Conference onRobotics and Automation(ICRA)》发表的文章“Autonomous swing-angle estimationfor stable slung-load flight of multi-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。此外，上述文章的研究对象都是简化的二维模型，没有考虑到三维模型。并且上述文章都没有考虑到在无人机吊挂飞行中，为了实现吊挂负载的快速抓取和释放，在飞行过程中实现系绳的收放控制系绳的长度的需求，以及利用系绳收放提高系绳摆动抑制的能力。
发明内容
本发明解决的技术问题是：本发明的目的是提供一种利用系绳收放和无人机推力协调的系绳摆动抑制和绳长控制方法。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，同时实现系绳长度控制，利用系绳收放和无人机推力协调控制加快了系绳摆动抑制速率。在无人机吊挂系统运动过程中实现绳长控制，提高了吊挂负载的抓取和释放速度，具有很好的实用性。
本发明的技术方案是：一种利用系绳旋翼协调的无人机吊挂负载控制方法，包括以下步骤：
步骤一：建立含有系绳收放运动的多旋翼无人机吊挂系统三维动力学模型，包括以下子步骤：
子步骤一：确定无人机吊挂系统模型和假设条件：模型中包括多旋翼无人机、系绳和吊挂负载；定义Oxyz为惯性坐标系，O1xbybzb为多旋翼无人机的本体坐标系，无人机本体坐标系的原点O1固定于四旋翼无人机质心处。四旋翼无人机采用十字形布局，其O1xb轴沿机头方向的旋翼臂指向前，O1zb轴在无人机的纵向对称面内，垂直于O1xb轴，且沿四旋翼无人机的总升力方向指向上，O1yb轴按照右手定则确定；α是系绳在Oxz面内的投影和Oz轴负方向的夹角，即系绳的面内摆角，β是系绳与系绳在Oxz面内的投影的夹角，即面外摆角，L为系绳长度。mQ为多旋翼无人机质量，mL为吊挂负载质量，F是多旋翼无人机旋翼的推力。xQ,yQ,zQ,xL,yL,zL分别是多旋翼无人机和吊挂负载在惯性系中的位置；
同时定义在系统模型中，忽略系绳弹性、柔性及质量；忽略吊挂负载的姿态，将吊挂负载看作质点；忽略无人机的姿态控制；将系绳与多旋翼无人机的连接点与无人机质心重合；
子步骤二：利用牛顿-欧拉法分析多旋翼无人机和吊挂负载的受力运动情况：
其中，g是重力加速度，Fx、Fy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。
分别为xQ,yQ,zQ,xL,yL,zL的二阶导数；
利用牛顿-欧拉法分析多旋翼无人机和吊挂负载的位置关系：
对上式(2)求导得到无人机和吊挂负载的速度关系：
对上式(3)求导得到无人机和吊挂负载的加速度关系：
其中，
为绳长L的一阶和二阶导数，
为系绳面内摆角和面外摆角α,β的一阶和二阶导数。
联立(1)(4)得到多旋翼无人机吊挂系统的系绳张力和面内摆角、面外摆角角加速度：
将式(3)与式(1)联立，将系绳张力T带入式(1)中，结合式(3)中后两行，得到无人机吊挂系统三维动力学模型。
步骤二：设计符合控制要求的能量函数：
选取无人机动能、吊挂负载动能和吊挂负载重力势能分别为：
其中，EQ表示无人机动能，ELT表示吊挂负载动能，ELV表示吊挂负载势能。
吊挂负载动能和势能的变化率为：
其中，
是负载能量总的变化率，
是负载动能的变化率，
是负载重力势能的变化率，
是无人机质心的速度。
步骤三：设计实现系绳摆动抑制和绳长控制的多旋翼无人机吊挂系统控制器，表达式为：
其中，Fx、Fy、Fz表示无人机在惯性系中x、y、z方向的推力，
表示系绳收放的速度。kQ、kL、kp、k是选取的正控制器系数，A、B、C、D、E是提出的与Fx、Fy、Fz、
无关项，具体表示为：
其中，ex、ey、ez表示无人机质心的实际位置与期望位置之差，eL是系绳实际长度和期望长度之差，至此，完成无人机吊挂系统系绳摆动抑制和绳长跟踪控制器设计。
发明效果
本发明的技术效果在于：利用无人机推力和系绳收放协调控制实现系绳摆动抑制，相比于只利用无人机推力进行系绳摆动抑制，提高了系绳摆动抑制的效率。此外，在李雅普诺夫函数中，引入绳长误差反馈，在无人机吊挂系统飞行过程中，通过系绳收放机构，在进行系绳摆动抑制的同时，使系绳长度收敛到期望值，这在下端吊挂负载需要进行定点抓捕和释放时，能够提高系统运行效率，减少无人机到达目标位置后的系绳收放时间，提高任务完成速度。
附图说明
附图标记说明：
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
参见图1—图2，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三维动力学模型
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、忽略吊挂负载的姿态，将吊挂负载看作质点；
3、由于无人机的姿态单独可控，忽略无人机的姿态控制；
4、将系绳与多旋翼无人机的连接点与无人机质心重合。
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为吊挂负载，4是惯性坐标系。Oxyz为惯性坐标系，O1xbybzb为多旋翼无人机的本体坐标系，无人机本体坐标系的原点O1固定于四旋翼无人机质心处。本文中四旋翼无人机采用十字形布局，其O1xb轴沿机头方向的旋翼臂指向前，O1zb轴在无人机的纵向对称面内，垂直于O1xb轴，且沿四旋翼无人机的总升力方向指向上，O1yb轴按照右手定则确定。α是系绳在Oxz面内的投影和Oz轴负方向的夹角，即系绳的面内摆角，β是系绳与系绳在Oxz面内的投影的夹角，即面外摆角，L为系绳长度。mQ为多旋翼无人机质量，mL为吊挂负载质量，F是多旋翼无人机旋翼的推力。xQ,yQ,zQ,xL,yL,zL分别是多旋翼无人机和吊挂负载在惯性系中的位置。
利用牛顿-欧拉法分析多旋翼无人机和吊挂负载的受力运动情况：
其中，g是重力加速度，Fx、Fy和Fz是多旋翼无人机螺旋桨推力F在惯性坐标系中沿x、y、z轴的分量，T是系绳上的拉力大小。
分别为xQ,yQ,zQ,xL,yL,zL的二阶导数。
分析多旋翼无人机和吊挂负载的位置关系：
对上式(2)求导得到无人机和吊挂负载的速度关系：
其中，
表示吊挂负载的速度，
表示无人机质心的速度，
表示系绳的收放速度即绳长L的一阶导数，
系绳面内摆角和面外摆角α,β的一阶导数。
对上式(3)求导得到无人机和吊挂负载的加速度关系：
其中，
为绳长L的一阶和二阶导数，
为系绳面内摆角和面外摆角α,β的二阶导数。
联立(10)(13)得到多旋翼无人机吊挂系统的系绳张力和面内摆角、面外摆角角加速度：
其中，T表示系绳张力，
分别表示面内摆角、面外摆角的角加速度。
将式(3)与式(1)联立，将系绳张力T带入式(1)中，结合式(3)中后两行，得到无人机吊挂系统三维动力学模型。
第二步，设计控制要求能量函数
设计能量函数包含需要的系统能量，能够满足控制要求的无人机吊挂系统摆动抑制和系绳的收放长度的控制。
上方无人机的动能和下方吊挂负载动能：
其中，EQ表示无人机动能，ELT表示吊挂负载动能。
对上式求导得到：
其中，
是无人机动能的变化率，
是负载动能的变化率
将无人机吊挂系统动力学方程(1)式带入上式得到：
为了使吊挂负载能够在最低点处，即满足无人机吊挂系统的系绳摆动抑制需求，取吊挂负载在实际绳长情况下时在最低点处的水平面为零势能面，则吊挂负载的重力势能ELV可以表示为：
ELV＝LmLg(1-cosβcosα) (18)
对上式(10)求导得到负载重力势能的变化率
为：
则下方吊挂负载的能量ELall可以表示为：
ELall＝ELT+ELV (20)
对其求导、联立式(8)、式(10),并将式(3)带入,可得：
其中，
是负载能量总的变化率。
第三步：设计实现系绳摆动抑制和绳长控制的多旋翼无人机吊挂系统控制器
多旋翼无人机吊挂系统的系绳摆动抑制和绳长控制器主要依靠无人机的推力实现系统的摆动抑制，同时，利用系绳收放对摆动抑制效果起到加速作用，并使绳长在摆动抑制过程中跟踪期望绳长。
定义无人机的位置误差：
其中：ex、ey、ez表示无人机质心的实际位置与期望位置之差，xd,yd,zd是多旋翼无人机的期望位置，且期望多旋翼无人机的速度为0，即：
定义系绳的长度误差为：
eL＝L-Ld (23)
其中：eL是系绳实际长度和期望长度之差，Ld是期望的系绳长度，期望的系绳收放速度为0，即Ld＝0。
对式(13)、式(14)求导，并带入期望的速度条件，得到：
其中，
eL是无人机位置误差和系绳长度误差的变化率。
选取李雅普诺夫函数V(t)为：
其中：kQ、kL、kp是选取的正系数。
由式(6)、式(9)可知，V(t)是一个关于
ex,ey,ez,eL正定函数,对式(16)求导得到V(t)的导数
为：
带入式(1)、式(7)、式(12)并整理，得到：
为了使
需要设计控制器使得：
其中k是选取的正系数。
即：
对上式进行移项得到：
为使方程化简，将与Fx、Fy、Fz、T、
无关的项提出，并令：
将式(5)中T的表达式带入式(21),可得：
将上式看作是Fx、Fy、Fz、
的四元方程组，求解得到控制器的输出量即Fx、Fy、Fz、
的具体表达式为：
其中，Fx、Fy、Fz表示无人机在惯性系中x、y、z方向的推力，
表示系绳收放的速度。至此，完成无人机吊挂系统系绳摆动抑制和绳长跟踪控制器设计。
Claims (1)
1.一种利用系绳旋翼协调的无人机吊挂负载控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立含有系绳收放运动的多旋翼无人机吊挂系统三维动力学模型，包括以下子步骤：
子步骤一：确定无人机吊挂系统模型和假设条件：模型中包括多旋翼无人机、系绳和吊挂负载；定义Oxyz为惯性坐标系，O1xbybzb为多旋翼无人机的本体坐标系，无人机本体坐标系的原点O1固定于四旋翼无人机质心处； 四旋翼无人机采用十字形布局，其O1xb轴沿机头方向的旋翼臂指向前，O1zb轴在无人机的纵向对称面内，垂直于O1xb轴，且沿四旋翼无人机的总升力方向指向上，O1yb轴按照右手定则确定；α是系绳在Oxz面内的投影和Oz轴负方向的夹角，即系绳的面内摆角，β是系绳与系绳在Oxz面内的投影的夹角，即面外摆角，L为系绳长度； mQ为多旋翼无人机质量，mL为吊挂负载质量，F是多旋翼无人机旋翼的推力； xQ,yQ,zQ,xL,yL,zL分别是多旋翼无人机和吊挂负载在惯性系中的位置；
同时定义在系统模型中，忽略系绳弹性、柔性及质量；忽略吊挂负载的姿态，将吊挂负载看作质点；忽略无人机的姿态控制；将系绳与多旋翼无人机的连接点与无人机质心重合；
子步骤二：利用牛顿-欧拉法分析多旋翼无人机和吊挂负载的受力运动情况：
其中，g是重力加速度，Fx、Fy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； 
分别为xQ,yQ,zQ,xL,yL,zL的二阶导数；
利用牛顿-欧拉法分析多旋翼无人机和吊挂负载的位置关系：
对上式(2)求导得到无人机和吊挂负载的速度关系：
对上式(3)求导得到无人机和吊挂负载的加速度关系：
其中，
为绳长L的一阶和二阶导数，
为系绳面内摆角和面外摆角α,β的一阶和二阶导数；
联立(1)(4)得到多旋翼无人机吊挂系统的系绳张力和面内摆角、面外摆角角加速度：
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步骤二：设计符合控制要求的能量函数：
选取无人机动能、吊挂负载动能和吊挂负载重力势能分别为：
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 齐俊桐等.无人机吊挂飞行控制技术综述.《无人机系统技术》.2018,第83-90页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111190430A (zh) | 2020-05-22 |
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