CN115167145A - 一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法及系统 - Google Patents
一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115167145A CN115167145A CN202210944886.XA CN202210944886A CN115167145A CN 115167145 A CN115167145 A CN 115167145A CN 202210944886 A CN202210944886 A CN 202210944886A CN 115167145 A CN115167145 A CN 115167145A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- load
- lifting
- flying
- adaptive
- lifting rope
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 61
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 34
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 23
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 14
- 230000001629 suppression Effects 0.000 claims description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 13
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 9
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 7
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 5
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 235000011034 Rubus glaucus Nutrition 0.000 description 5
- 235000009122 Rubus idaeus Nutrition 0.000 description 5
- 240000007651 Rubus glaucus Species 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- RZVHIXYEVGDQDX-UHFFFAOYSA-N 9,10-anthraquinone Chemical group C1=CC=C2C(=O)C3=CC=CC=C3C(=O)C2=C1 RZVHIXYEVGDQDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 241000508269 Psidium Species 0.000 description 1
- 244000235659 Rubus idaeus Species 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000004540 process dynamic Methods 0.000 description 1
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
- G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
- G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
- G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Abstract
本发明属于机电系统控制领域，提供了一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法及系统，该系统属于无人操作系统，控制方法属于机电系统控制领域。该系统由飞行吊运系统与移动平台构成，其中飞行吊运系统为绳长可自主调节的空中运输系统，移动平台为各类地面移动车辆与水面移动船舶。由于实际运输中系统阻力系数未知，并且运送过程负载的摆动也会对降落产生影响。因此，在考虑以上问题的同时，针对该平台设计了未知阻力系数自适应更新律及相应跟踪控制方法，保证了飞行吊运负载的移动平台精准降落。实验结果表明，所提方法能够有效的抑制负载的摆动，并且能够保证负载的精准投放。
Description
技术领域
本发明属于机电系统控制领域，尤其涉及一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法及系统。
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。
目前，关于无人机飞行吊运这一任务已经提出过许多十分有意义的控制与规划方案，以寻求更好的完成飞行吊运控制以及负载运送任务的执行。四旋翼无人机吊运系统为微分平坦系统，基于此可设计相应的基于视觉的几何控制器，进行敏捷飞行。对负载施加加速度限制，可设计激进的负载轨迹，使得飞行吊运系统能够穿越窗口并躲避障碍。此外，利用在线轨迹规划方法可以完成负载摆动抑制以及四旋翼无人机的定位。
然而，目前大多数的研究还是集中在固定绳长的飞行吊运系统的研究，虽然可以完成窗口穿越以及避障，但系统跟踪的轨迹往往是比较激进的，对于需要平稳运输的负载并不适用。此外，虽然四旋翼无人机吊运系统的控制和规划方法很多，但目标主要集中在四旋翼无人机的定位、负载的摆动消除、扰动抑制和避障等方面，而负载的着陆问题却鲜有讨论。虽然目前存在相应的规划方法可以用来进行负载抛投，然而，投掷方法可能会损坏易碎的负载。并且，这些方法都是将负载投放在静止目标点上。而在实际任务执行中，由于当吊运系统接近目的地时，低空环境中的一些障碍如楼宇和树木等，会对飞行吊运系统的任务执行产生干扰，导致运输效率降低。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法及系统，其将负载降落在移动平台上，利用移动平台完成最后阶段的运输任务，通过在四旋翼无人机上安装相应的吊绳长度调节装置，利用绳长可调节的空中运输系统实现负载的动平台降落，在所设计的控制器的作用下，不仅能够抑制负载的摆动，还可以将负载准确地降落至移动平台上，将会大大提升运输效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法，包括如下步骤：
考虑飞行吊运系统运行时的未知阻力系数，对系统进行建模，设计相应自适应更新律；
结合设计的自适应更新律构造非线性自适应跟踪控制器，所述非线性自适应跟踪控制器被配置为：以移动平台轨迹跟踪、吊绳长度轨迹跟踪以及负载摆动抑制为控制目标；
结合非线性自适应跟踪控制器的形式，利用无人机位姿、吊绳信息以及负载摆动状况的测量值得到实际输入信号；
在实际输入信号的驱动下，所述非线性自适应跟踪控制器进行移动平台轨迹跟踪、吊绳长度轨迹跟踪以及负载摆动抑制实现飞行吊运系统负载的移动平台降落任务。
作为可选择的实施方式，所述控制目标的量化表达为：
其中，
表示无人机位置及吊绳长度构成的复合向量，
为α(t)的期望轨迹，
表示负载摆角，
表示α(t)预设的最终状态。
作为可选择的实施方式，所述结合设计的自适应更新律构造非线性自适应跟踪控制器的构建过程包括：
根据系统的能量形式，构建储能函数；在储能函数的基础上，构建正定函数，在正定函数的基础上，选择李雅普诺夫候选函数并求导，基于该导数，根据芭芭拉引理对闭环系统的稳定性进行分析，确定非线性自适应跟踪控制器的结构。
作为可选择的实施方式，所述非线性控制器的表达式为：
其中，Kp和Kd是正定对角控制增益矩阵，M为无人机质量；m为负载质量，g为重力加速度，Φω为
的在线估计，
与
的具体形式为：ωx＝[dx+dp，dp]T，ωy＝[dy+dp，dp]T，ωz＝[dz+dp，dp]T，ωl＝[dl+dp，dp]T，
Sx，Sy，Cx，Cy分别为sinθx，sinθy，cosθxcosθy的简写。
作为可选择的实施方式，所述自适应更新律为阻力系数向量的在线更新律。
作为可选择的实施方式，所述闭环系统的跟踪误差收敛于零。
本发明的第二个方面提供一种飞行吊运负载移动平台降落控制系统，包括飞行吊运系统和移动平台，所述飞行吊运系统包括无人机和控制器，所述无人机上设置有吊绳调节装置，所述吊绳调节装置末端连接有负载，所述吊绳调节装置接收控制器的控制指令，所述控制器被配置为执行：
考虑系统运行时的未知阻力系数，对系统进行建模，设计相应自适应更新律；
结合设计的自适应更新律构造非线性自适应跟踪控制器，以移动平台轨迹跟踪、吊绳长度轨迹跟踪以及负载摆动抑制为控制目标；
利用无人机位姿、吊绳信息以及负载摆动状况的测量值得到实际输入信号；
在实际输入信号的驱动下，进行移动平台轨迹跟踪、吊绳长度轨迹跟踪以及负载摆动抑制，生成控制指令。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用吊绳长度可调节的飞行吊运系统，结合移动平台，完成算法验证。由于实际运输中系统阻力系数未知，针对该任务设计了自适应跟踪控制方案。该方法能够自适应未知阻力，并且能够抑制负载的摆动，从而实现飞行吊运系统平稳地将负载降落至移动平台上。
本发明基于所述的非线性自适应跟踪控制器，提出的自适应跟踪控制方法，利用李雅普诺夫方法和芭芭拉引理可以保证闭环系统的稳定性。
本发明有望被进一步应用于实际货物运输任务中，具有十分重要的现实意义。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
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为本发明飞行吊运移动平台负载降落控制方法的整体流程示意图；
图2为本发明的任务执行示意图。
图3为本发明执行飞行吊运系统移动平台负载降落任务的实际过程图；
图4为本发明所提方法作用下的跟踪曲线与摆角曲线图，其中的无人机位置、绳长与负载摆角分别对应x,y,z,l与θx,θy；
图5为本发明所提方法作用下的系统输入，其中无人机三个方向的控制输入分别为fx,fy,fz，吊绳的控制输入为fl；
图6为本发明在所提方法作用下的自适应参数更新曲线。
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
如图1所示，本实施例提供一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法，包括如下步骤：
步骤1：将绳长可调节飞行吊运系统作为负载运输载体，考虑系统运行时的未知阻力系数，对系统进行建模，设计相应自适应更新律；
步骤2：结合设计的自适应更新律构造非线性自适应跟踪控制器，所述非线性自适应跟踪控制器被配置为：以移动平台轨迹跟踪、吊绳长度轨迹跟踪以及负载摆动抑制为控制目标；
步骤3：结合非线性自适应跟踪控制器的形式，利用无人机位姿、吊绳信息以及负载摆动状况的测量值得到实际输入信号；
步骤4：在实际输入信号的驱动下，所述非线性自适应跟踪控制器进行移动平台轨迹跟踪、吊绳长度轨迹跟踪以及负载摆动抑制实现飞行吊运系统的负载移动平台降落任务。
如图2-图3所示，作为一种或多种实施例，步骤1中，所述绳长可调节飞行吊运系统模型的构建过程包括：
记四旋翼无人机、负载的质量分别为M和m；重力加速度常数为g；α＝[x,y,z,l]T表示无人机位置及吊绳长度组成的广义位移向量；αd＝[xd，yd，zd，ld]T表示无人机轨迹及吊绳长度轨迹向量；
表示α(t)预设的最终状态；θx，θy表示负载摆角；Cx，Cy，Sx，Sy分别为cos(θx)，cos(θy)，sin(θx)，sin(θy)的缩写；
表示无人机所受未知阻力；
分别表示无人机沿着三个方向的阻力系数，吊绳的阻力系数以及负载的阻力系数；fx，fy，fz表示四旋翼无人机沿着三个方向的推力，fl表示舵机拉力。
基于拉格朗日建模方法，四旋翼无人机平动、吊绳长度和载荷摆角的动力学可建立为：
其中，
上述方案的优点在于，考虑了实际系统运行时未知阻力的影响，具有自适应阻力系数的能力，并且具有消除负载摆动的能力。
本实施例中，控制目标是设计一个反馈控制律，驱动四旋翼无人机和吊绳跟踪期望的轨迹，最终各状态到达预设终值，并且在过程中抑制负载的摆动。
所述控制目标包括：1)无人机跟踪移动平台轨迹；2)吊绳调节装置驱动吊绳跟踪吊绳长度轨迹；3)抑制负载的摆动。
所述控制目标可量化表达为：
式中，x,y,z,l表示无人机沿着世界坐标系三个方向的位置与吊绳长度；xd,yd,zd,ld表示期望的无人机沿着世界坐标系三个方向的轨迹与期望吊绳长度轨迹；θx,θy表示负载摆角。
其中，αd(t)具有如下性质：
当时间趋于无穷时，期望轨迹αd(t)从初始状态p0逐渐收敛到预设终态pd，并且它的导数具有如下性质：
为方便负载着陆，在任务期间吊绳长度是伸长的，即
依据上述性质可知
并且
这就意味着
因此还可以得到如下结论：
利用芭芭拉引理，可以得到如下结论：
作为一种或多种实施例，步骤2中，所述结合设计的自适应更新律构造非线性自适应跟踪控制器的构建过程包括：
根据控制目标(7)，定义系统的误差信号向量为：
随后，根据系统能量形式，构建正定储能函数如下:
其中,Mc为
在储能函数的基础上，构造如下正定函数：
其中,
为正对角矩阵。
对(12)求导，可以得到
其中,向量N和向量Φω表示如下：
此外，
对应的具体形式为：ωx＝[dx+dp,dp]T，ωy＝[dy+dp,dp]T，ωz＝[dz+dp,dp]T，ωl＝[dl+dp，dp]T，
依据(12)式，可以构造得到如下形式的跟踪控制器：
式中，
是正定对角控制增益矩阵；M为无人机质量；m为负载质量；g为重力加速度；
为
的在线估计，
阻力系数向量的在线更新律设计为：
其中，
是正对角增益矩阵。
基于上述控制器，可以得到如下定理：
基于提出的控制律(14)和自适应更新律(15)保证闭环系统的跟踪误差收敛于零，即
接下来将证明上述定理：
在式(12)的基础上，选择李雅普诺夫候选函数为：
式中，
是估计误差，其对应的导数可以表示为：
随后，将控制器(14)与式(17)代入到式(16)的导数中，可得：
基于杨氏不等式，可得如下关系：
利用上述不等式，由期望轨迹性质，可以放缩为
随后对式(19)两边进行积分可得
由于
依据式(8)，可得如下结论
随后，结合式(1)—(6)的模型与式(9)的结论，能够得到
接着，式(20)可表示为：
因此可以得到如下结论：
根据扩展芭芭拉引理，由式(21)—(23)可得
随后，根据结论(9)和式(24)，可以推出
因此，得到如下结论
接下来将分析ex(t)，ey(t)，ez(t)，el(t)，θx(t)和θy(t)的收敛性。
将模型(5)和(6)写为如下形式
将式(28)和式(29)代入到模型(1)—(4)中可得
其中，
根据式(21)—(27)中的分析，可以直接得出如下结论：
此外，通过将式(33)代入式(30)—(32)并进行一些变换，就可以得到
其中，
依据扩展芭芭拉引理，结合式(25)和式(35)可以得到
通过相似的分析过程，
和
可以表示为
其中，
结合式(21)—(27)和式(36)的结果，可以得出以下结论
再次利用扩展芭芭拉引理与式(25)和式(38)的结论，可以得到
此外，利用式(37)和式(39)，有
接下来，将式(26)、式(36)、式(40)代入模型(1)—(4)可以得到
最后，根据式(9)，式(24)，式(27)，式(41)，在控制器(14)作用下，能够得到
因此，式(24)、式(40)和式(42)的结论表明定理成立。
上述方案通过利用李雅普诺夫方法和芭芭拉引理可以保证闭环系统的稳定性。
步骤3中，结合控制器形式利用系统状态的测量值得到输入信号
根据自适应跟踪控制器的具体形式可知，需要获取无人机位姿、吊绳信息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。
步骤4中，在步骤3的控制输入信号的驱动下，完成吊运系统的轨迹跟踪与负载摆动消除的目标，并实现负载的移动平台释放任务。
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。绳长可调节的飞行吊运系统的主要物理参数为
M＝1.74kg,m＝0.168kg,g＝9.8kg·m/s2
期望轨迹设定为
其中，ζh为正常数，
所选取的发明所提出的控制器控制增益为：
Kp＝diag([4.0,4.0,8.0,18.0]),Kd＝diag([6.5,6.5,14.0,8.0]),Γx＝Γy＝Γz＝Γl＝diag([1.0,1.0])。
为了模拟飞行吊运系统的移动平台负载释放过程，在负载上加装了电磁开关，用于释放负载。电磁开关由电磁铁、继电器模块、树莓派Zero计算单元和锂电池组成。树莓派Zero向继电器模块发送控制信号，继电器模块充当电路开关，锂电池为电磁铁供电。在负载运输过程中，继电器模块保持关闭，电磁铁保持通电。当树莓派Zero接收到地面站释放信号时，与继电器模块触发端口相连的GPIO端口电平发生变化，继电器模块打开，负载释放。负载通过降低四旋翼无人机高度和增加吊绳长度来快速接近移动平台。附图3为释放过程动态图。
附图4到附图6分别为跟踪曲线与摆角曲线图，系统输入图，自适应参数更新曲线图，其中无人机位置、绳长与负载摆角分别对应x,y,z,l与θx,θy，无人机三个方向的控制输入为fx,fy,fz，吊绳的控制输入为fl。在负载与移动平台相对距离达到降落高度后，即t＝9.8s时，地面站发出释放信号，负载释放。可以看出，利用本发明提出的自适应跟踪控制器能够驱动绳长可调节的飞行吊运系统完成移动平台的负载释放任务，同时有效抑制了负载摆动。
综上所述，本发明首次提出了飞行吊运负载动平台降落问题，同时所提的控制器能够完成无人机及吊绳绳长轨迹跟踪并在跟踪过程中抑制负载摆动。
实施例二
本实施例提供一种飞行吊运负载移动平台降落控制系统，包括飞行吊运系统和移动平台；所述飞行吊运系统包括无人机和控制器，所述无人机上设置有吊绳调节装置，所述吊绳调节装置末端连接有负载，所述吊绳调节装置接收控制器的控制指令，所述控制器被配置为执行：
考虑系统运行时的未知阻力系数，对系统进行建模，设计相应自适应更新律；
结合设计的自适应更新律构造非线性自适应跟踪控制器，以移动平台轨迹跟踪、吊绳长度轨迹跟踪以及负载摆动抑制为控制目标；
利用无人机位姿、吊绳信息以及负载摆动状况的测量值得到实际输入信号；
在实际输入信号的驱动下，进行移动平台轨迹跟踪、吊绳长度轨迹跟踪以及负载摆动抑制，生成控制指令。
本发明通过设计使用的绳长可调节的飞行吊运系统能够自如调整无人机与负载之间距离，在保证负载平稳的同时，能够完成窗口穿越以及避障等任务。同时本系统更适用于平稳地将负载降落至移动平台上。
作为一种或多种实施例，其中，所述基于负载降落任务选择绳长可调节的飞行吊运系统作为负载运输载体；
所述绳长可调节的飞行吊运系统的平台组成具体为：所述绳长可调节的飞行吊运系统主要由绳长可调节的空中运输系统、运动捕捉系统、地面站和路由器构成。
绳长可调节的空中运输系统包括四旋翼无人机、飞行控制单元和绳长调节机构。
本实施例中，所用四旋翼无人机型号为F450采用2216-KV950无刷电机和30A电调，飞行控制单元为PixHawk PX4 2.4.8。
绳长调节机构由Dynamixel MX-64舵机、3-D打印的连接器以及3-D打印滚轴组成。四旋翼无人机上装有性价比高、质量轻的机载计算单元树莓派4B，其通过MavLink和RS-485通信协议向PixHawk和Dynamixel发送控制指令。
运动捕捉系统由多台摄像机和一台计算机组成，用于识别四旋翼无人机和负载上的标记点，从而得到出四旋翼无人机的位置、吊绳长度和负载摆动角度。飞行控制单元的IMU用于获取四旋翼无人机的姿态。
地面站通过路由器发出的WIFI信号将四旋翼及吊绳长度轨迹发送到机载计算单元树莓派。
当然，在其他实施例中，无人机可以是其他多旋翼类型，依据所运输的负载的质量进行无人机选型；
所采用的移动平台为地面移动机器人，包括但不局限于地面移动平台，依据所应用的场景可替换为水面船舶机器人；
所采用的吊绳调节装置安装于无人机质心处，对无人机自身运动不产生影响；
其他各个部件的参数、型号都可以根据实际情况进行替换或更改。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法中的步骤。
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，本发明可采用硬件实施例、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和光学存储器等)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。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
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。
Claims (10)
1.一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
考虑飞行吊运系统运行时的未知阻力系数，对系统进行建模，设计相应自适应更新律；
结合设计的自适应更新律构造非线性自适应跟踪控制器，所述非线性自适应跟踪控制器被配置为：以移动平台轨迹跟踪、吊绳长度轨迹跟踪以及负载摆动抑制为控制目标；
结合非线性自适应跟踪控制器的形式，利用无人机位姿、吊绳信息以及负载摆动状况的测量值得到实际输入信号；
在实际输入信号的驱动下，所述非线性自适应跟踪控制器进行移动平台轨迹跟踪、吊绳长度轨迹跟踪以及负载摆动抑制实现飞行吊运系统负载的移动平台降落任务。
2.根据权利要求1所述的一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法，其特征在于，所述控制目标的量化表达为：
其中，
表示无人机位置及吊绳长度构成的复合向量，
为α(t)的期望轨迹，
表示负载摆角，
表示α(t)预设的最终状态。
3.根据权利要求1所述的一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法，其特征在于，所述结合设计的自适应更新律构造非线性自适应跟踪控制器的构建过程包括：
根据系统的能量形式，构建储能函数；在储能函数的基础上，构建正定函数，在正定函数的基础上，选择李雅普诺夫候选函数并求导，基于该导数，根据芭芭拉引理对闭环系统的稳定性进行分析，确定非线性自适应跟踪控制器的结构。
4.根据权利要求1所述的一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法，其特征在于，所述非线性控制器的表达式为：
其中，Kp和Kd是正定对角控制增益矩阵，M为无人机质量；m为负载质量，g为重力加速度，Φω为
的在线估计，
与
的具体形式为：
Sx,Sy,Cx,Cy分别为sinθx,sinθy,cosθxcosθy的简写。
5.根据权利要求1所述的一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法，其特征在于，所述自适应更新律为阻力系数向量的在线更新律。
6.根据权利要求1所述的一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法，其特征在于，所述闭环系统的跟踪误差收敛于零。
7.一种飞行吊运负载移动平台降落控制系统，其特征在于，包括飞行吊运系统和移动平台，所述飞行吊运系统包括无人机和控制器，所述无人机上设置有吊绳调节装置，所述吊绳调节装置末端连接有负载，所述吊绳调节装置接收控制器的控制指令，所述控制器被配置为执行：
考虑系统运行时的未知阻力系数，对系统进行建模，设计相应自适应更新律；
结合设计的自适应更新律构造非线性自适应跟踪控制器，以移动平台轨迹跟踪、吊绳长度轨迹跟踪以及负载摆动抑制为控制目标；
利用无人机位姿、吊绳信息以及负载摆动状况的测量值得到实际输入信号；
在实际输入信号的驱动下，进行移动平台轨迹跟踪、吊绳长度轨迹跟踪以及负载摆动抑制，生成控制指令。
8.根据权利要求7所述的一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法，其特征在于，所述结合设计的自适应更新律构造非线性自适应跟踪控制器的构建过程包括：
根据系统的能量形式，构建储能函数；在储能函数的基础上，构建正定函数，在正定函数的基础上，选择李雅普诺夫候选函数并求导，基于该导数，根据芭芭拉引理对闭环系统的稳定性进行分析，确定非线性自适应跟踪控制器的结构。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现根据权利要求1-6中任一项所述的一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法中的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现根据权利要求1-6中任一项所述的一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法中的步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210944886.XA CN115167145B (zh) | 2022-08-08 | 2022-08-08 | 一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210944886.XA CN115167145B (zh) | 2022-08-08 | 2022-08-08 | 一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115167145A true CN115167145A (zh) | 2022-10-11 |
| CN115167145B CN115167145B (zh) | 2024-05-10 |
Family
ID=83479154
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210944886.XA Active CN115167145B (zh) | 2022-08-08 | 2022-08-08 | 一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115167145B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001034511A1 (en) * | 1999-11-05 | 2001-05-17 | Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. | Nonlinear active control of dynamical systems |
| CN109976366A (zh) * | 2019-03-27 | 2019-07-05 | 天津大学 | 旋翼无人机吊挂负载系统非线性轨迹跟踪控制方法 |
| CN112580196A (zh) * | 2020-12-02 | 2021-03-30 | 北京化工大学 | 变绳长无人机减摆控制器生成方法、控制方法及生成系统 |
| CN113031655A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-06-25 | 南开大学 | 一种伴有负载升降的飞行吊运系统及其控制方法 |
| CN113253747A (zh) * | 2021-06-08 | 2021-08-13 | 天津大学 | 基于分段能量的四旋翼吊挂运输系统非线性轨迹跟踪控制方法 |
| CN113467252A (zh) * | 2021-08-06 | 2021-10-01 | 南开大学 | 基于负载广义位移的双无人机吊运系统非线性自适应控制方法 |
-
2022
- 2022-08-08 CN CN202210944886.XA patent/CN115167145B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001034511A1 (en) * | 1999-11-05 | 2001-05-17 | Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. | Nonlinear active control of dynamical systems |
| CN109976366A (zh) * | 2019-03-27 | 2019-07-05 | 天津大学 | 旋翼无人机吊挂负载系统非线性轨迹跟踪控制方法 |
| CN112580196A (zh) * | 2020-12-02 | 2021-03-30 | 北京化工大学 | 变绳长无人机减摆控制器生成方法、控制方法及生成系统 |
| CN113031655A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-06-25 | 南开大学 | 一种伴有负载升降的飞行吊运系统及其控制方法 |
| CN113253747A (zh) * | 2021-06-08 | 2021-08-13 | 天津大学 | 基于分段能量的四旋翼吊挂运输系统非线性轨迹跟踪控制方法 |
| CN113467252A (zh) * | 2021-08-06 | 2021-10-01 | 南开大学 | 基于负载广义位移的双无人机吊运系统非线性自适应控制方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| XIAO LIANG: "Adaptive Nonlinear Hierarchical Control for a Rotorcraft Transporting a Cable-Suspended Payload", EEE TRANSACTIONS ON SYSTEMS, MAN, AND CYBERNETICS: SYSTEMS, vol. 51, no. 7, 31 July 2021 (2021-07-31) * |
| 孙宁: "欠驱动三维桥式吊车系统自适应跟踪控制器设计", 自动化学报, vol. 36, no. 9, 30 September 2010 (2010-09-30) * |
| 韩晓薇: "无 人 机 吊 挂 空 运 系 统 的 自 适 应 控 制 设 计", 控制理论与应用, vol. 37, no. 5, 31 May 2020 (2020-05-31) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115167145B (zh) | 2024-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Muliadi et al. | Neural network control system of UAV altitude dynamics and its comparison with the PID control system | |
| Ramirez-Rodriguez et al. | Robust backstepping control based on integral sliding modes for tracking of quadrotors | |
| CN107765553B (zh) | 针对旋翼无人机吊挂运输系统的非线性控制方法 | |
| CN106873624B (zh) | 基于部分反馈线性化四旋翼无人机吊挂飞行控制方法 | |
| Liu et al. | Robust nonlinear control approach to nontrivial maneuvers and obstacle avoidance for quadrotor UAV under disturbances | |
| CN111625019B (zh) | 基于强化学习的四旋翼无人机悬挂空运系统轨迹规划方法 | |
| CN108508746B (zh) | 四旋翼无人机吊挂运输系统的自适应控制方法 | |
| Mathisen et al. | Non-linear model predictive control for guidance of a fixed-wing UAV in precision deep stall landing | |
| CN111538255B (zh) | 一种反蜂群无人机的飞行器控制方法及系统 | |
| CN111176318B (zh) | 面向消除稳态误差的飞行吊运系统定位消摆方法及系统 | |
| Liu et al. | Robust model predictive control for stratospheric airships using LPV design | |
| CN113759979B (zh) | 基于事件驱动的无人机吊挂系统在线轨迹规划方法 | |
| Huang et al. | Adaptive backstepping sliding mode control for quadrotor UAV | |
| El Houm et al. | Optimal new sliding mode controller combined with modified supertwisting algorithm for a perturbed quadrotor UAV | |
| Yi et al. | Anti-disturbance control of a quadrotor manipulator with tiltable rotors based on integral sliding mode control | |
| Velagić et al. | Design of LQR controller for 3D trajectory tracking of octocopter unmanned aerial vehicle | |
| CN113031655B (zh) | 一种伴有负载升降的飞行吊运系统及其控制方法 | |
| Yu et al. | Adaptive trajectory tracking control for the quadrotor aerial transportation system landing a payload onto the mobile platform | |
| Xue et al. | A moving target tracking control of quadrotor UAV based on passive control and super-twisting sliding mode control | |
| CN116820116A (zh) | 基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法 | |
| Toha et al. | Dynamic nonlinear inverse-model based control of a twin rotor system using adaptive neuro-fuzzy inference system | |
| CN115167145B (zh) | 一种飞行吊运负载移动平台降落控制方法及系统 | |
| CN110908398A (zh) | 能量耦合四旋翼无人机吊挂空运系统自适应控制方法 | |
| Wang et al. | Model-based optimal auto-transition and control synthesis for tail-sitter UAV KH-Lion | |
| CN113485406B (zh) | 基于总能量控制的固定翼无人机纵向位速控制系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |