CN113031655B - 一种伴有负载升降的飞行吊运系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种伴有负载升降的飞行吊运系统及其控制方法，对飞行吊运系统进行建模，构造系统的储能函数；基于储能函数构造非线性控制器，所述非线性控制器被配置为以无人机定位和吊绳绳长调节与负载摆动消除的双重目标为控制目标；根据无人机位姿以及负载摆动状况的测量值，结合非线性控制器结构，确定非线性控制器的实际输入信号；基于实际输入信号，所述非线性控制器进行无人机定位和绳长调节与负载摆动消除。本发明实现无人机的位置和绳长的跟踪以及负载摆动的消除，能够使飞行吊运系统适用于更复杂的场景。

Description

一种伴有负载升降的飞行吊运系统及其控制方法

技术领域

本发明属于飞行吊运系统控制技术领域，具体涉及一种伴有负载升降的飞行吊运系统及其控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

多旋翼无人机的空中运输目前主要有三种方式：抓手抓取、机械臂操纵、绳索吊挂。当多旋翼无人机用抓手或机械臂搬运不同的物体时，重要的飞行参数例如惯性矩和质心会发生变化。并且由于工作空间有限，抓手抓取和机械臂操纵两种方法难以运输大型货物。此外，抓手和手臂机械构造都十分复杂，成本也很高。因此使用多旋翼无人机运输大型物体时，受限于客舱容积，在机身下方用绳索悬挂货物是一种十分理想的运输方法。

目前，关于飞行吊运这一任务已经提出过许多十分有意义的控制方案。飞行吊运控制的关键点在于能够让无人机快速到达目标位置，并且能够较好地抑制负载的摆动，众多研究学者都提出了相关的控制理论或优化方法，以寻求更好的完成飞行吊运控制。

据发明人了解，以前的飞行吊运方法只能通过改变多旋翼的位置高度来实现负载的升降运动，或是大幅度摆起负载从而改变负载位置。中国发明专利CN111176318A、CN110376890A提供了考虑到负载引起吊绳摆动问题，从而引起飞行吊运系统控制状态动态改变问题，可以较好的消除摆动带来的稳定性问题，然而其并没有考虑到当在飞行系统运输过程中可调节绳长的引入的问题，例如需要穿越窗型障碍时，通过缩短吊绳的长度使得整个系统高度变小，以平稳地通过障碍物，且在海上采样任务中，由于海面存在一些不确定因素，在无人机和海面保持一定距离的同时，伸长吊绳，进行水体采样。而可调节绳长的引入，使得飞行吊运系统的控制能够适应更加复杂的环境。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种伴有负载升降的飞行吊运系统及其控制方法，本发明基于能量的非线性控制方法，以实现无人机的位置和绳长的跟踪以及负载摆动的消除。在不进行线性化操作的情况下，对系统进行了三维空间中的完整系统动力学建模，基此设计了储能函数，并得到相应控制律，保证闭环系统的稳定性。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种伴有负载升降的飞行吊运系统控制方法，包括以下步骤：

对飞行吊运系统进行建模，构造系统的储能函数；

基于储能函数构造非线性控制器，所述非线性控制器被配置为以无人机定位和吊绳绳长调节与负载摆动消除的双重目标为控制目标；

根据无人机位姿以及负载摆动状况的测量值，结合非线性控制器结构，确定非线性控制器的实际输入信号；

基于实际输入信号，所述非线性控制器进行无人机定位和绳长调节与负载摆动消除。

作为可选择的实施方式，对飞行吊运系统进行建模的具体过程包括：基于无人机、负载的质量，无人机位置及吊绳长度组成的广义位移向量，无人机期望位置及吊绳期望长度向量，负载摆角，表示无人机和吊绳、负载所受空气阻力系数，无人机的推力值以及舵机拉力，构建系统动力学方程。

作为进一步的限定，构建系统动力学方程过程中，利用拉格朗日方程进行建模。

作为可选择的实施方式，构造系统的储能函数的具体过程包括：基于无人机平动和负载摆动的储能函数，结合构建系统动力学方程，确定无人机平动与其转动之间的耦合关系，并采用分级控制的思想。

作为可选择的实施方式，基于储能函数构造非线性控制器的具体过程包括：构造李雅普诺夫候选函数，对构造的李雅普诺夫候选函数进行求导，基于导数，设计虚拟控制输入，将通过李雅普诺夫方法对闭环系统的稳定性进行分析，计算求解，确定非线性控制器结构。

作为可选择的实施方式，所述非线性控制器的控制目标包括：1)无人机运动至指定位置；2)吊绳调节到目标位置；3)抑制负载的摆动。

作为可选择的实施方式，所述非线性控制器的控制目标为无人机位置及绳长误差向量、负载摆角均为零。

一种伴有负载升降的飞行吊运系统，包括无人机和控制器，所述无人机上设置有调节绳长装置，所述调节绳长装置包括舵机以及装于舵机转轴的收线滚筒，所述收线滚筒上缠绕有吊绳，吊绳末端连接有负载，所述舵机接收控制器的输出指令，所述控制器被配置为执行：

对飞行吊运系统进行建模，构造系统的储能函数；

基于储能函数，以无人机定位和吊绳绳长调节与负载摆动消除的双重目标为控制目标；

根据无人机位姿以及负载摆动状况的测量值，确定实际输入信号；

基于实际输入信号，进行无人机定位和绳长调节与负载摆动消除控制，生成输出指令。

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述一种伴有负载升降的飞行吊运系统控制方法中的步骤。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述一种伴有负载升降的飞行吊运系统控制方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明整个设计和分析过程都是基于三维空间模型，没有做任何线性化或简化操作，本发明提出的伴有负载升降的飞行吊运系统及其控制方法，可完成无人机的准确定位，吊运绳长的准确调节，并快速消除负载的摆动，适合被应用于实际系统。

本发明能够解决目前所研究的飞行吊运系统主要集中在吊运绳长不变的限制，可以调节的绳长让整个系统变得更加灵活，在保证负载平稳的前提下丰富了系统的应用场景。

本发明的应用场景丰富，能够适用于更加复杂的飞行环境和飞行任务条件。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明面向消除稳态误差的飞行吊运系统消摆定位方法流程图；

图3为本发明所提方法作用下的实验效果，其中的无人机位置、绳长与负载摆角分别对应x,y,z,l与θ_x,θ_y；

图4为本发明所提方法作用下的内环效果，其中无人机的俯仰角、滚转角、偏航角分别对应φ,θ,ψ；

图5为本发明所提方法作用下的系统输入，其中无人机的控制输入为f，吊绳的控制输入为f_l，力矩输入为τ₁,τ₂,τ₃。

图6为本发明在所提方法作用下的抗扰实验效果，在18s和38s的时候施分别对两个摆角方向施加30°的脉冲扰动，无人机位置、绳长与负载摆角分别对应x,y,z,l与θ_x,θ_y；

图7为图6情况下的系统的内环效果，其中无人机的俯仰角、滚转角、偏航角分别对应φ,θ,ψ；

图8为图6情况下的系统输入，其中无人机的控制输入为f，吊绳的控制输入为f_l，力矩输入为τ₁,τ₂,τ₃。

其中，1.四旋翼无人机本体，2.收放吊绳的舵机和其固定装置及收绳装置，3.负载。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一：

本实施例公开了一种伴有负载升降的飞行吊运系统的控制方法，包括：

基于伴有负载升降的飞行吊运系统的动力学模型，构造系统的储能函数；

基于储能函数设计非线性控制器，具体地，引入负载摆角速度相关项，有较好的消摆控制效果，根据所述非线性控制方法，得到的控制器能够实现无人机定位、吊绳绳长调节与负载消摆的双重目标；

结合设计的控制器形式，利用系统状态的测量值得到实际输入信号；

在该输入信号的驱动下，完成无人机定位、吊绳绳长调节与负载消摆的双重目标。

具体的，伴有负载升降的飞行吊运系统的硬件结构；

本实施例提供的飞行吊运系统主要有四旋翼无人机本体，调节绳长的执行器装置，吊绳，以及负载构成。四旋翼无人机选用轴距是450mm的F450四旋翼无人机，电机型号为2216，桨叶为14寸；所用调节绳长的执行器装置为型号为DYNAMIXEL MX64的舵机，舵机与无人机通过连接件连接在四旋翼无人机底部中心处，舵机轴部外接一个滚筒，用来收放吊绳；选用刚性轻质绳作为吊绳；吊绳另一端连接负载。

在本实施例中，所采用的吊绳为刚性轻质绳；

所采用的负载为球形负载(3)。

连接件为3D打印结构件。

当然，在其他实施例中，无人机可以是其他多旋翼类型。负载、连接件结构和制备过程，以及各个部件的参数、型号都可以根据实际情况进行替换或更改。

在飞行吊运系统储能函数构造上，可以记无人机、负载的质量分别为M,m，重力加速度常数为g，

表示无人机位置及吊绳长度组成的广义位移向量，

表示无人机期望位置及吊绳期望长度向量，θ_x,θ_y表示负载摆角，C_x,C_y,S_x,S_y分别为cos(θ_x),cos(θ_y),sin(θ_x),sin(θ_y)的缩写，d_x,d_y,d_z,d_l和d₁,d₂分别表示无人机和吊绳、负载所受空气阻力系数，f表示无人机的推力值，f_l表示舵机拉力，R表示从机体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵，

表示单位向量，则系统动力学方程可表示为：

其中

表示无人机广义位移和负载摆动角度的状态变量，

代表表示惯性和向心-科里奥利矩阵，

分别表示重力矢量、外力矢量和空气阻力矢量。M_c,V_c的各分量由M_ci,j,V_cij,i,j＝{1,2,...,6}具体给出，具体表达式如下：

其剩余元素都为零。G,u,F_r的具体表达式为：

为了方便后续控制器设计，定义如下误差信号e_i,i＝{x,y,z,l}：

e_α＝α-α_d,e_x＝x-x_d,e_y＝y-y_d,e_z＝z-z_d,e_l＝l-l_d (4)

基于无人机平动和负载摆动构造如下形式的储能函数：

将式(1)、(2)、(3)带入到推导出的方程，得到其对时间的导数为：

其中构造fRe₃＝f_v+f_a的虚拟控制输入f_v和辅助向量f_a具体表达式为

式中，f_a能够反映无人机实际期望R和期望姿态R_d之间的差异，亦即无人机平动与其转动之间的耦合关系。根据系统的级联特性，可以采用分级控制的思想，通过将实际期望和期望姿态视为相同，在满足增长限制条件的情况下，耦合项f_a可以暂时忽略。

为设计满足要求的控制器，首先构造如下李雅普诺夫候选函数V

其次，基于储能函数设计非线性控制器

对上一步中构造的李雅普诺夫候选函数进行求导

在上述储能函数导数的基础上，虚拟控制输入f_ou具体设计如下：

是正定对角矩阵。

接下来将通过李雅普诺夫方法对闭环系统的稳定性进行分析，通过分析可知，设计的控制器(10)保证了无人机定位和吊绳绳长调节与负载摆动消除的双重目标，即

其中，e_α表示无人机位置及绳长误差向量，θ_x,θ_y表示负载摆角。

系统的稳定性证明如下，将控制律(10)代入到(9)中，可以得到

其中

由此可知

定义不变集Φ如下

在不变集Φ中找到最大不变集Γ后可以得到

其中

表示待定常数。接着证明最大不变集中位置及绳长误差为零，摆角为零。将(13)代入到系统模型中，可以得到

由系统模型(1)可以得到-k_pxb_x＝0,-k_pyb_y＝0,-k_pzb_z＝0，所以

由于系统在移动的过程中，负载摆角始终满足

所以由(14)中最后一个公式可知

q_x＝q_y＝0

进而我们可以得到

即完成整个系统的稳定性证明。

在结合控制器形式利用系统状态的测量值得到输入信号的步骤中，根据控制器的具体形式可知，需要获取无人机位姿以及负载摆动状况的测量值，在此基础上即可构造满足要求的驱动器输入信号。

在上述控制输入信号的驱动下，完成无人机定位与负载摆动消除的目标。

实验结果

为验证本发明所设计控制器的有效性，可按上述步骤，在自主搭建的平台上进行测试。旋翼无人机上安装了运行64位Ubuntu 16.04操作系统的机载电脑棒，它通过5G频段的WIFI与地面站相连。飞行吊运系统的主要物理参数为

M＝1.74kg,m＝0.18kg,g＝9.8kg·m/s²

初始位置及绳长和目标位置及绳长分别设置为

和

所选取的发明所提出的控制器控制增益为：

k_px＝k_py＝4.5,k_dx＝k_dy＝6.0,k_pz＝7.0,k_dz＝11.0,k_pl＝3.0,k_dl＝4.0，k_sx＝k_sy＝k_sz＝k_sl＝0.35。

附图3到附图5展示了相应的无人机定位、吊绳绳长调节与负载消摆实验结果。无人机位置、吊绳绳长与负载摆角分别对应于x,y,z,l和q_x,q_y，无人机姿态角对应为φ,θ,ψ，系统控制输入为f,f_l,τ₁,τ₂,τ₃。可以看出，利用本发明提出的控制器能够驱动无人机运动至目标位置，绳长调节到期望长度，同时有效抑制了负载摆动。同时，附图6到附图8展示了对负载在18s和38s的时候施分别对两个摆角方向施加30°的脉冲扰动，进行系统的鲁棒性验证，从图中可以看出本发明能够较好地应对负载受到的扰动，快速使得系统恢复稳定。控制方案在摆动抑制和无人机定位及绳长调节等方面具有良好的暂态性能，并且具有较好的抗扰能力。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种伴有负载升降的飞行吊运系统控制方法，其特征是：包括以下步骤：

对飞行吊运系统进行建模，构造系统的储能函数；

所述对飞行吊运系统进行建模的具体过程包括：基于无人机、负载的质量，无人机位置及吊绳长度组成的广义位移向量，无人机期望位置及吊绳期望长度向量，负载摆角，表示无人机和吊绳、负载所受空气阻力系数，无人机的推力值以及舵机拉力，构建系统动力学方程；

基于储能函数构造非线性控制器，所述非线性控制器被配置为以无人机定位和吊绳绳长调节与负载摆动消除的双重目标为控制目标；

所述非线性控制器的控制目标包括：1)无人机运动至指定位置；2)吊绳调节到目标位置；3)抑制负载的摆动；

根据无人机位姿以及负载摆动状况的测量值，结合非线性控制器结构，确定非线性控制器的实际输入信号；

基于实际输入信号，所述非线性控制器进行无人机定位和绳长调节与负载摆动消除；

所述无人机上设置有调节绳长装置，所述调节绳长装置包括舵机以及装于舵机转轴的收线滚筒，所述收线滚筒上缠绕有吊绳，吊绳末端连接有负载。

2.如权利要求1所述的一种伴有负载升降的飞行吊运系统控制方法，其特征是：构建系统动力学方程过程中，利用拉格朗日方程进行建模。

3.如权利要求1所述的一种伴有负载升降的飞行吊运系统控制方法，其特征是：构造系统的储能函数的具体过程包括：基于无人机平动和负载摆动的储能函数，结合构建系统动力学方程，确定无人机平动与其转动之间的耦合关系，并采用分级控制。

4.如权利要求1所述的一种伴有负载升降的飞行吊运系统控制方法，其特征是：基于储能函数构造非线性控制器的具体过程包括：构造李雅普诺夫候选函数，对构造的李雅普诺夫候选函数进行求导，基于导数，设计虚拟控制输入，将通过李雅普诺夫方法对闭环系统的稳定性进行分析，计算求解，确定非线性控制器结构。

5.如权利要求1所述的一种伴有负载升降的飞行吊运系统控制方法，其特征是：所述非线性控制器的控制目标为无人机位置及绳长误差向量、负载摆角均为零。

6.一种伴有负载升降的飞行吊运系统，其特征是：包括无人机和控制器，所述无人机上设置有调节绳长装置，所述调节绳长装置包括舵机以及装于舵机转轴的收线滚筒，所述收线滚筒上缠绕有吊绳，吊绳末端连接有负载，所述舵机接收控制器的输出指令，所述控制器被配置为执行：

对飞行吊运系统进行建模，构造系统的储能函数；

所述对飞行吊运系统进行建模的具体过程包括：基于无人机、负载的质量，无人机位置及吊绳长度组成的广义位移向量，无人机期望位置及吊绳期望长度向量，负载摆角，表示无人机和吊绳、负载所受空气阻力系数，无人机的推力值以及舵机拉力，构建系统动力学方程；

基于储能函数，以无人机定位和吊绳绳长调节与负载摆动消除的双重目标为控制目标；

所述控制目标包括：1)无人机运动至指定位置；2)吊绳调节到目标位置；3)抑制负载的摆动；

根据无人机位姿以及负载摆动状况的测量值，确定实际输入信号；

基于实际输入信号，进行无人机定位和绳长调节与负载摆动消除控制，生成输出指令。

7.一种电子设备，其特征是：包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成如权利要求1-5中任一项所述的一种伴有负载升降的飞行吊运系统控制方法中的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其特征是：用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-5中任一项所述的一种伴有负载升降的飞行吊运系统控制方法中的步骤。

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