CN112034876B - 多旋翼无人机吊挂运载控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请为多旋翼无人机绳索吊挂运载系统提供控制方法和系统。多旋翼无人机飞行会诱导绳索吊挂负载产生持续振荡，吊挂负载的振荡还会对无人机姿态有很大影响，严重影响空中运载效率和安全飞行。本申请提供一种新型混合控制方法，可以同时对无人机姿态和吊挂负载的振荡实现有效控制。这种混合控制方法包括：双吊挂机械结构、前置滤波器、和闭环控制器。双吊挂机械结构产生全耦合效果，可以抑制外扰动引起系统振荡。前置滤波器利用自身陷波滤波功能控制吊挂负载振荡。闭环控制器利用实时检测到的无人机飞行姿态信息形成闭环控制回路实现对姿态跟踪控制。本申请给出使用所提出的混合控制方法在多旋翼无人机吊挂运载系统和方法的实现方案。

Description

多旋翼无人机吊挂运载控制方法和系统

技术领域

本发明涉及对多旋翼无人机绳索吊挂运载系统控制方法和系统，来达到安全运载的目的。使用前置滤波器抑制负载振荡，使用闭环控制器控制无人机姿态，使用双绳吊挂机械结构提供的全耦合效果来实现对外扰动抑制的目的。

背景技术

重型货物空中吊挂运输，不需要考虑飞行器装载体积和货物外形匹配的问题，可以克服地形限制，高效远距离运载较大体积货物。多旋翼无人机可以作为空中吊车使用。体积较大的负载通过绳索吊挂在无人机底部。无人机飞行过程中，会诱使负载产生持续振荡。负载振荡还会与无人机姿态运动产生耦合，对无人机吊挂运载系统的工作效率和安全运载都有很大影响。迫使该系统只能在较低飞行速度下工作。

国内外现有的空中吊车振荡控制方法：主动装置、闭环反馈控制、input shaping和command smoothing。

1973年美国直升机学会会刊报道过在负载上安装振荡抑制机械装置，可以有效抑制负载振荡。但是，这种在负载上安装的振荡抑制机械装置，增加了系统复杂性。

1973年美国飞机学报最早提出过通过检测负载振荡状态反馈给闭环控制回路中去。但是，负载振荡状态很难准确检测制约这种闭环反馈控制方法的实际工程应用。另外，飞行员也是一个闭环控制过程，通过五官感知外部世界，通过大脑判断决策，闭环反馈控制器会干扰飞行员的操纵性。

Input shaping技术是将操纵命令与一系列脉冲的离散卷积来构造整形后的命令驱动机器运动。离散卷积构造的整形器被称作input shaper，目前比较常用的inputshaper有：ZV shaper、ZVD shaper、EI shaper和SI shaper。成功地应用在工业起重机、三坐标测量机、和机器人的振动控制。input shaping构造的整形后命令一般不连续，在边界附近可能出现较大的冲击。

Command smoothing是将操纵命令与一个连续函数卷积处理，来产生光滑后的命令驱动机器运动。发明专利201810198274.4“空中吊车负载振荡控制方法和系统”给出一个连续函数，用于解决直升机吊挂振荡控制问题。

发明内容

为克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出一种新的控制方法和系统来为多旋翼无人机吊挂提供高效和安全运载的解决方案。

本发明的一个方面是为多旋翼无人机吊挂提供了新的控制方法，满足高效和安全运载需求。将操纵指令经过本发明提供的前置滤波器处理后，再送闭环控制回路驱动无人机吊挂运载，可以同时对无人机姿态和负载振荡进行控制。

本发明的另一方面，提出了一种适用于无人机吊挂运载控制的系统，包括：输入模块、计算模块和输出模块。其中，输入模块包括模拟信号或者数字信号采集装置，功能是对输入信号进行采集；计算模块，连接到采集模块，用于将采集到的输入信号根据所提供的方法进行数据处理；输出模块，连接到计算模块，用于将前置滤波和闭环控制后的指令驱动飞行器运动，包括信号调理转换装置、模拟信号或者数字信号输出装置。

本发明可以有效地对多旋翼无人机吊挂运载实现负载振荡抑制和无人机姿态控制。应用本发明的技术方案，可以在保证负载振荡控制和无人机姿态控制的基础上，实现工作效率最优和操作安全的解决方案。

附图说明

图1示多旋翼无人机绳索吊挂运载振荡控制过程图；

图2示根据本发明的混合控制系统的结构框图；

图3示应用例：带有双吊挂结构的无人机绳索吊挂运载物理模型框图；

图4示应用例：无人机姿态时间响应图；

图5示应用例：绳索摆动时间响应图；

图6示应用例：负载扭转和倾斜时间响应图。

如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对无人机吊挂系统提供的控制方法和系统进行详细描述。在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。

图1给出多旋翼无人机绳索吊挂运载振荡控制过程图。将操作者发出的操纵指令送前置滤波器。操纵指令与前置滤波器进行卷积运算，产生信号是滤波处理后的操纵指令。将滤波处理后的操纵指令作为闭环控制器输入，通过感知无人机姿态变化，闭环控制器动态调整无人机多个旋翼转速，实现无人机姿态渐进稳定。

下面给出前置滤波器设计过程。函数u的二阶系统响应：

其中：u是任意函数，ω为二阶系统的固有频率，ζ为二阶系统的阻尼比。对应的振幅是：

将(3)和(4)约束为零，可实现零残余振动。函数u应当还具有单位增益约束：

如果函数u是脉冲序列和连续函数的复合函数，满足约束方程(3-5)，对上升时间取最短的优化结果：

脉冲和连续函数复合函数的第1个脉冲的作用时刻是τ＝0，该脉冲对应的振幅是B：

其中：π是圆周率常数；ω₁是无人机吊挂系统第一模态固有频率；ζ₁是无人机吊挂系统第一模态阻尼比；r是时间调节系数，满足0<r<1。

还可以在频率设计点处，约束(3)和(4)对频率求导来增大鲁棒性：

在两倍频率设计点处，实现零振幅约束来获得低通滤波特性：

在两倍频率设计点处，约束(10)和(11)对频率求导来增大鲁棒性：

如果函数u是分段连续函数，满足约束方程(5)(8-13)，上升时间最短的优化设计结果：

其中：ω₂是无人机吊挂系统第二模态固有频率；ζ₂是无人机吊挂系统第二模态阻尼比。

复合函数(6)和连续函数(14)给出两种设计结果。复合函数(6)和连续函数(14)串联起来使用，复合函数(6)作为第一级前置滤波器用来控制低模态的振荡，连续函数(14)作为第二级前置滤波器用来控制较高模态的振荡。复合函数(6)和连续函数(14)串联起来作为前置滤波器，满足吊挂负载振荡抑制需要。

使用模型跟踪控制器对飞行器姿态进行控制。模型跟踪控制包括两部分，理想模型和渐进跟踪控制律。理想模型的微分方程是：

其中：ψ_m,θ_m,

是无人机三个姿态角的理想模型输出，ζ_ψm,ζ_θm,

是理想模型的阻尼比，ω_ψm,ω_θm,

是理想模型的设计频率，ψ_s,θ_s,

是无人机三个姿态角的期望值。三个理想模型的输入分别是ψ_s,θ_s,

三个理想模型的输出分别是ψ_m,θ_m,

渐进跟踪控制律的微分方程是：

其中：k_ψp，k_ψd是姿态角ψ渐进跟踪控制律的比例系数和微分系数，k_θp，k_θd是姿态角θ渐进跟踪控制律的比例系数和微分系数，

是姿态角

渐进跟踪控制律的比例系数和微分系数。

是飞行器的三个姿态角，M_ψ,M_θ,

是飞行器的三个方向上扭矩。三个渐进跟踪控制律的输入分别是ψ_m,θ_m,

三个渐进跟踪控制律的输出分别是M_ψ,M_θ,

飞行器的三个姿态角ψ,θ,

是反馈信号。

图2中具体给出了一种本发明的实践应用方案。无人机的操作者通过操纵杆发出指令，这种指令可以通过采集装置被采集到，采集装置通常用模拟或数字输入装置获得。采集装置将输入指令送入复合函数(6)和连续函数(14)进行滤波处理，两种滤波器通常使用计算机编程来实现。通过无人机和吊挂负载结构参数来对复合函数(6)和连续函数(14)中的频率设计值和阻尼比设计值进行估计。

然后将滤波后的飞行操纵指令作为闭环控制器(19)的输入。传感器感知无人机姿态角度变化反馈给闭环控制器(19)，动态调整无人机姿态。闭环控制器(19)输出经过信号调理转换并将力矩转换为四个电机转速后，可以通过模拟信号或者数字信号输出给无人机，驱动无人机飞行。

下面给出一个设计实例来证明所提出的方法可以有效控制负载振荡和无人机姿态，保证安全运载。图3是带有双吊挂结构的四旋翼无人机绳索吊挂负载物理模型框图，四旋翼无人机10上沿着飞行器垂直方向安装向下的连杆，然后在向下的连杆末端安装另一个连杆。连杆上通过两个吊索20和30在吊挂点处吊挂负载梁40。四个旋翼50、60、70、80提供升力和扭矩。飞行器中心向下两个连杆的连接处是90，然后水平面上连杆与两根绳索连接处是100和110。操作者通过操纵杆发出飞行指令后，通过本发明陈述的前置滤波器(6)(14)和闭环控制器(19)进行计算，计算处理后的信息通过信号调理转换后输出给飞行器驱动装置，来满足安全运载要求。

瞬态振幅是无人机飞行过程中峰峰振幅。残余振幅是无人机悬停后峰峰振幅。图4图5图6中，绳索摆动角γ1和负载倾斜角δ保持一个较大数值，这是因为由于该数值对应着平衡位置，平衡位置由系统结构决定。

DxDyDz是飞行器机体坐标系。通过两根连杆使绳索两个吊挂点与无人机质心位置在DxDyDz三个方向上都保持距离，目的是使飞行器姿态与负载摆动产生全耦合效果。通过机械设计引起的这种全耦合效果有利于消除由外扰动引起的振荡。外扰动包括风，和旋翼引起的气动变化，还有突然产生其他外干扰。这些外扰动可能引起负载摆动，全耦合效果会将摆动传递给飞行器姿态变化。所提出混合控制器将通过稳定飞行器姿态，进而抑制负载摆动。

吊挂点100和飞行器质心位置120之间的位置矢量是：LxDx+LyDy+LzDz。吊挂点110和飞行器质心位置120之间的位置矢量是：-LxDx-LyDy+LzDz。其中：Lz是连杆连接点90与飞行器质心120之间距离。Lx是吊挂点100或110与连杆连接点90之间距离在Dx方向上的投影。Ly是吊挂点100或110与两根连杆连接点90之间距离在Dy方向上的投影。吊挂点100与两根连杆连接点90之间的位置矢量是LxDx+LyDy。吊挂点110与两根连杆连接点90之间的位置矢量是-LxDx-LyDy。

飞行器机体坐标系DxDyDz与牛顿坐标系NxNyNz之间满足：

图4是使用本发明所提出的控制方法后的无人机姿态时间响应图。无人机偏航六度后飞行六十米。在本申请提供混合控制器作用下，无人机姿态的瞬态振幅是6.7度，残余振幅是0.26度，过渡过程时间0.37秒。在本申请提供混合控制器作用下，将无人机姿态振动抑制到很小范围，可以满足安全运载需要。

图5是使用本发明所提出的控制方法后的绳索摆动时间响应图。绳索摆动切线角γ1的瞬态振幅是0.97度，残余振幅是0.2度。绳索摆动法向角β1的瞬态振幅是0.19度，残余振幅是0.0008度。在本申请提供混合控制器作用下，将绳索摆动抑制到很小范围，可以满足安全运载需要。

图6是使用本发明所提出的控制方法后的负载扭转和倾斜时间响应图。在本申请提供混合控制器作用下，负载扭转角ε的瞬态振幅是0.46度，残余振幅是0.002度，过渡过程时间0.0秒。负载倾斜角δ的瞬态振幅是0.49度，残余振幅是0.1度，过渡过程时间0.0秒。在本申请提供混合控制器作用下，将负载扭转和倾斜振动抑制到很小范围，可以满足安全运载需要。

最后需要陈述的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (1)

1.多旋翼无人机绳索吊挂运载的控制方法，包括：

步骤10、无人机通过双绳吊挂机械结构实现运载过程，第一根绳索的吊挂点与无人机质心的位置矢量是LxDx+LyDy+LzDz，第二根绳索的吊挂点与无人机质心的位置矢量是-LxDx-LyDy+LzDz，其中DxDyDz是无人机的机体坐标系，Lx、Ly、Lz是三个方向上距离；

步骤20、将操作者发出的原始操纵指令送第一个前置滤波器：

其中：

π是圆周率常数，ω₁是吊挂系统第一模态频率，ζ₁是吊挂系统第一模态阻尼比，r是时间调节系数，满足0<r<1；

步骤30、将第一次滤波后的指令送第二个前置滤波器：

其中：

ω₂是吊挂系统第二模态频率，ζ₂是吊挂系统第二模态阻尼比；

步骤40、将第二次滤波后的指令作为闭环控制器输入，闭环控制器由理想模型和渐进跟踪控制律组成，理想模型的微分方程是：

渐进跟踪控制律的微分方程是：

其中：

是无人机三个姿态角的期望值，也是理想模型的输入，

是理想模型的阻尼比，

是理想模型的设计频率，

是无人机三个姿态角的理想模型的输出，也是渐进跟踪控制的输入，

是飞行器的三个姿态角，

是飞行器的三个方向上扭矩，也是渐进跟踪控制的输出，k_ψp，k_ψd是姿态角ψ跟踪控制律的比例系数和微分系数，

是姿态角θ跟踪控制律的比例系数和微分系数，

是姿态角

跟踪控制律的比例系数和微分系数。

Images