CN116820116A - 基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法。包括：建立吊挂四旋翼无人机的数学模型；构造吊挂四旋翼无人机的误差系统，设计滑模控制器；针对吊挂负载质量不确定的情况，更新滑模控制器为自适应滑模控制器；针对存在外界干扰的情况，通过设计干扰观测器，实时观测外界干扰并反馈到控制器中，提高吊挂四旋翼无人机系统的抗干扰能力。本发明能够快速准确地跟踪和估计出负载的变化量，根据负载动态变化来修正控制器，增强吊挂四旋翼无人机系统的鲁棒性和稳定性。此外，干扰观测器的应用也有效提高了吊挂四旋翼无人机系统抗干扰能力，使其实时监测外界干扰并及时采取措施，从而提高吊挂四旋翼无人机系统的稳定性和飞行安全性。
Description
技术领域
本发明涉及四旋翼无人机技术，特别是涉及一种基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法。
背景技术
四旋翼无人机作为一种远距离无线控制的非载人飞行器，近年来备受关注，已成为飞行器控制领域的研究热点。尽管四旋翼无人机具有强耦合性、多变量和非线性的特点，给其控制带来了一定难度，但其结构简单、性能更好、操作方便和性价比高等显著优点，备受人们青睐。尤其是在民用领域，四旋翼无人机因其机动性和适应性而广泛应用于摄影、火灾监测、喷洒农药等领域。
一个常见的应用场景是通过绳索与负载连接实现负载的运输。这种方式有许多优点，例如节省时间和精力、减轻重量、不用起飞或者降落就可以完成货物的装卸等。然而，这种方式也面临很多困难。首先，吊挂四旋翼无人机系统是一个非线性、强耦合、欠驱动的系统。其次，被运送的负载通常与四旋翼无人机在大小和质量方面相当，因此容易受到强风等恶劣天气的影响。在设计四旋翼无人机运送悬挂负载控制器时，需要考虑到负载的转动惯量和空气阻力的影响。同时，四旋翼无人机的升力方向沿着机体固定支架的Z轴方向，这就意味着被运送负载的平移运动只能通过将四旋翼无人机倾斜到所需要的方向来实现，而绳索与负载构成了一个不受控制的摆动系统。设计高性能的控制器来实现负载轨迹的跟踪，已成为业内研究人员关注的热门问题。为了确保飞行安全和负载完好无损，必须通过精确、稳定地控制负载的运动轨迹，并使其能够准确地避开建筑物、路灯、绿化设施等障碍物。
发明内容
发明目的：针对上述吊挂四旋翼无人机研究现状及实际应用背景，本发明提供一种能够快速准确地跟踪和估计出负载的变化量，根据负载动态变化来修正控制器的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法。
技术方案：本发明的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法，包括以下步骤：
根据拉格朗日方程建立吊挂四旋翼无人机的数学模型；
构造吊挂四旋翼无人机的误差系统，设计滑模控制器；
针对吊挂负载质量不确定的情况，采用自适应控制方法，更新滑模控制器，得到自适应滑模控制器，使其在负载实时变化的情况下能够实现轨迹跟踪；
针对存在外界干扰的情况，通过设计吊挂四旋翼无人机的干扰观测器，实时观测外界干扰并反馈到自适应滑模控制器中，得到最终自适应滑模控制器，并对变负载吊挂四旋翼无人机进行控制。
进一步的，所述根据拉格朗日方程建立吊挂四旋翼无人机的数学模型，具体包括：
吊挂四旋翼无人机包括四旋翼无人机以及悬吊在其上的负载，根据吊挂四旋翼无人机的位置、吊挂四旋翼无人机的姿态角、负载的摆动角度、吊挂四旋翼无人机的位置控制输入、吊挂四旋翼无人机的姿态控制输入以及外界扰动，建立扰动下的吊挂四旋翼无人机的位置与姿态数学模型：
其中，mQ为四旋翼无人机的质量；mL为吊挂负载的质量；l为吊挂绳长；I为四旋翼无人机的转动惯量，e3为单位向量[0,0,1]T；g为重力加速度；ξ为吊挂四旋翼无人机的位置，即四旋翼无人机的位置，其一阶导数表示为其二阶导数表示为/>η为吊挂四旋翼无人机的姿态角，即四旋翼无人机的姿态角，其一阶导数表示为/>其二阶导数表示为/>U为吊挂四旋翼无人机的位置控制输入；τ为吊挂四旋翼无人机的姿态控制输入；dξ为作用在吊挂四旋翼无人机上的位置扰动，dη为作用在吊挂四旋翼无人机上的姿态扰动；a为中间变量。
进一步的，所述构造吊挂四旋翼无人机的误差系统，设计滑模控制器，具体包括：
根据吊挂四旋翼无人机的期望位置ξd，以及吊挂四旋翼无人机的期望姿态角ηd，建立吊挂四旋翼无人机的误差系统为：
吊挂四旋翼无人机的位置误差：eξ＝ξd-ξ，ξ为吊挂四旋翼无人机的位置，即四旋翼无人机的位置；
吊挂四旋翼无人机的姿态角误差：eη＝ηd-η，η为吊挂四旋翼无人机的姿态角，即四旋翼无人机的姿态角；
根据误差系统，设计滑模控制器包括：
吊挂四旋翼无人机位置滑模变量为： 为吊挂四旋翼无人机的位置误差eξ的一阶导数，λξ为参数矩阵；
吊挂四旋翼无人机姿态角滑模变量为： 为吊挂四旋翼无人机的姿态角误差eη的一阶导数，λη为参数矩阵；
取趋近律为： 为吊挂四旋翼无人机位置滑模变量sξ的一阶导数，/>为吊挂四旋翼无人机姿态角滑模变量sη的一阶导数；sgn(*)为符号函数，k1ξ、k2ξ、k1η、k2η均为需设计的参数矩阵；
得到滑模控制器为：
其中，U为吊挂四旋翼无人机的位置控制输入；τ为吊挂四旋翼无人机的姿态控制输入；mQ为四旋翼无人机的质量；mL为吊挂负载的质量；l为吊挂绳长；a为中间变量；I为四旋翼无人机的转动惯量；和/>分别为吊挂四旋翼无人机的期望位置ξd的一阶导数和二阶导数；/>为吊挂四旋翼无人机的位置ξ的一阶导数；g为重力加速度；e3为单位向量；dξ为作用在吊挂四旋翼无人机上的位置扰动；/>和/>分别为吊挂四旋翼无人机的期望姿态角ηd的一阶导数和二阶导数；/>为吊挂四旋翼无人机的姿态角η的一阶导数；dη为作用在吊挂四旋翼无人机上的姿态扰动；滑模控制器中参数矩阵λξ，λη，k1ξ，k1η，k2ξ，k2η均为大于0的正数。
进一步的，吊挂四旋翼无人机的期望姿态角中期望滚转角φd和期望俯仰角θd为未知变量，根据吊挂四旋翼无人机位置和姿态角求解出φd和θd：
其中，Ux、Uy分别为吊挂四旋翼无人机在惯性坐标系中的总推力F在惯性坐标系Xe轴和Ye轴上的分力，ψ为吊挂四旋翼无人机的偏航角；
进一步的，所述自适应滑模控制器为：
其中，mQ为四旋翼无人机的质量；是负载质量的估计；/>和/>分别为吊挂四旋翼无人机的期望位置ξd的一阶导数和二阶导数；λξ为参数矩阵；/>为吊挂四旋翼无人机的位置ξ的一阶导数；sgn(*)为符号函数；sξ为吊挂四旋翼无人机位置滑模变量；g为重力加速度；e3为单位向量；dξ为作用在吊挂四旋翼无人机上的位置扰动；l为吊挂绳长；a为中间变量；k1ξ、k2ξ为需设计的参数矩阵；
负载质量的估计误差定义为mL为吊挂负载的质量；/>的一阶导数 的自适应控制律为：
其中，为负载质量的估计/>的一阶导数，γ为大于0的参数，/>为sξ的转置，/>为中间变量，函数Proj(*)为投影算子，用以保证/>总为正。
进一步的，所述针对存在外界干扰的情况，设计吊挂四旋翼无人机的干扰观测器，包括：
吊挂四旋翼无人机的位置干扰观测器：
其中，为位置扰动的估计值，z1为中间变量，/>为z1的一阶导数，/>l(ξ)为所需设计的变量，/>为吊挂四旋翼无人机的位置ξ的一阶导数，mQ为四旋翼无人机的质量；mL为吊挂负载的质量；g为重力加速度；e3为单位向量；l为吊挂绳长；a为中间变量；U1为最终设计的吊挂四旋翼无人机的位置控制输入；
吊挂四旋翼无人机的姿态干扰观测器：
其中，为姿态扰动的估计值，z2为中间变量，/>为z2的一阶导数，/>l(η)为所需设计的变量，η为吊挂四旋翼无人机的姿态角，/>为η的一阶导数；I为四旋翼无人机的转动惯量；τ为吊挂四旋翼无人机的姿态控制输入。
进一步的，得到的最终自适应滑模控制器为：
其中，U1为最终设计的吊挂四旋翼无人机的位置控制输入；τ为最终设计的吊挂四旋翼无人机的姿态控制输入；mQ为四旋翼无人机的质量；是负载质量的估计；I为四旋翼无人机的转动惯量；/>和/>分别为吊挂四旋翼无人机的期望位置ξd的一阶导数和二阶导数；λξ为参数矩阵；/>为吊挂四旋翼无人机的位置ξ的一阶导数；k1ξ，k1η，k2ξ，k2η均为大于0的参数矩阵；sgn(*)为符号函数；sξ为吊挂四旋翼无人机位置滑模变量；g为重力加速度；e3为单位向量；/>为位置扰动的估计值，l为吊挂绳长；a为中间变量；/>和/>分别为吊挂四旋翼无人机的期望姿态角ηd的一阶导数和二阶导数；/>为吊挂四旋翼无人机的姿态角η的一阶导数；λη为参数矩阵；sη为吊挂四旋翼无人机姿态角滑模变量；/>为姿态扰动的估计值；/>为负载质量的估计/>的一阶导数；γ为大于0的参数，/>为sξ的转置，/>为中间变量，函数Proj(*)为投影算子，用以保证/>总为正。
基于相同的发明构思，本发明的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制系统，包括：
模型构建模块，用于根据拉格朗日方程建立吊挂四旋翼无人机的数学模型；
控制器设计模块，用于构造吊挂四旋翼无人机的误差系统，设计滑模控制器；
控制器更新模块，用于针对吊挂负载质量不确定的情况，采用自适应控制方法，更新滑模控制器，得到自适应滑模控制器，使其在负载实时变化的情况下能够实现轨迹跟踪；
反馈控制模块，用于针对存在外界干扰的情况，通过设计吊挂四旋翼无人机的干扰观测器，实时观测外界干扰并反馈到自适应滑模控制器中，得到最终自适应滑模控制器；并采用最终自适应滑模控制器对变负载吊挂四旋翼无人机进行控制。
基于相同的发明构思，本发明的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制设备，所述设备包括：
存储有可执行程序代码的存储器；
与所述存储器耦合的处理器；
所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行如上述的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法。
基于相同的发明构思，本发明的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被调用时，用于执行如上述的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著技术效果为：
(1)本发明考虑吊挂四旋翼无人机在质量实时发生变化的情况，研究在有外界干扰时的控制问题，具有很大的实际应用价值；
(2)本发明提出的控制算法，能快速准确跟踪负载变化量，根据负载动态变化修正控制器，增强吊挂四旋翼无人机系统的鲁棒性和稳定性；
(3)本发明方法将干扰观测器应用到吊挂四旋翼无人机中，有效提高了吊挂四旋翼无人机系统的抗干扰能力，使其实时监测外界干扰并及时采取措施，从而提高吊挂四旋翼无人机系统的稳定性和飞行安全性。
附图说明
图1是本发明方法实施流程图；
图2是吊挂四旋翼无人机位置及偏航角变化曲线；其中，(a)为吊挂四旋翼无人机位置x方向的变化曲线，(b)为吊挂四旋翼无人机位置y方向的变化曲线，(c)为吊挂四旋翼无人机位置z方向的变化曲线，(d)为吊挂四旋翼无人机偏航角ψ的变化曲线；
图3是摆角变化曲线；其中，(a)为负载摆角φL的变化曲线，(b)为负载摆角θL的变化曲线；
图4是负载质量估计值变化曲线；
图5是干扰观测器变化曲线；其中，(a)为吊挂四旋翼无人机位置x方向的干扰观测器变化曲线，(b)为吊挂四旋翼无人机位置y方向的干扰观测器变化曲线，(c)为吊挂四旋翼无人机位置z方向的干扰观测器变化曲线，(d)为吊挂四旋翼无人机姿态角φ的干扰观测器变化曲线，(e)为吊挂四旋翼无人机姿态角θ的干扰观测器变化曲线，(f)为吊挂四旋翼无人机姿态角ψ的干扰观测器变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
为解决吊挂四旋翼无人机控制的难题，需要采用一系列先进的控制技术和运动规划策略。在控制器设计方面，传统的PID控制器已经不能满足需求，因此需要采用更加先进的控制技术，如模糊控制器、自适应控制器等，以适应不同的工作环境和负载条件。同时，还需要考虑到吊挂四旋翼无人机系统的欠驱动问题和负载转动惯量、空气阻力等特殊因素，以优化整个系统的控制性能和稳定性。
此外，还需要进行充分的仿真和实验，以获得合适的路径规划策略和负载控制方案。虽然吊挂四旋翼无人机控制存在一定的挑战和难度，但凭借其优越的性能和机动性，它已成为一种广泛应用于不同领域的先进无人机技术，并将在未来继续发挥重要作用。
本发明的一种基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法。首先，根据拉格朗日方程建立吊挂四旋翼无人机的数学模型；然后，构造吊挂四旋翼无人机的误差系统，设计滑模控制器；针对吊挂负载质量不确定的情况，采用自适应控制方法，更新滑模控制器为自适应滑模控制器，使其在负载实时变化的情况下能够实现轨迹跟踪；最后，针对存在外界干扰的情况，通过设计干扰观测器，实时观测外界干扰并反馈到自适应滑模控制器中，提高吊挂四旋翼无人机系统的抗干扰能力。该发明提供的控制算法能够快速准确地跟踪和估计出负载的变化量，根据负载动态变化来修正自适应滑模控制器，增强吊挂四旋翼无人机系统的鲁棒性和稳定性。此外，干扰观测器的应用也有效提高了吊挂四旋翼无人机系统的抗干扰能力，使其实时监测外界干扰并及时采取措施，从而提高吊挂四旋翼无人机系统的稳定性和飞行安全性。
实施例一
如图1所示，本发明的一种基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法，该方法包括以下步骤：
S1、根据拉格朗日方程建立吊挂四旋翼无人机的数学模型；
建立两类坐标系，惯性坐标系和机体坐标系。吊挂四旋翼无人机包括四旋翼无人机以及悬吊在其上的负载。
惯性坐标系的原点Oe是固定在地面上的，Ze轴垂直地面向上，Xe轴位于地平面并指向某一方向，Ye轴位于地平面并垂直于Xe轴，其方向由右手定则确定。
机体坐标系的原点Ob是四旋翼无人机机体的重心位置。Zb轴垂直于无人机机身向上，Xb轴指向四旋翼无人机的机头方向，Yb轴位于地平面并垂直于Xb轴，其方向由右手定则确定。
吊挂四旋翼无人机的模型参数为：
I＝[Ix,Ix,Ix]T为四旋翼无人机的转动惯量，Ix、Iy、Iz分别为四旋翼无人机绕机体坐标系Xb、Yb、Zb轴的转动惯量；mQ为四旋翼无人机的质量；mL为吊挂负载的质量；g为重力加速度。
吊挂四旋翼无人机的广义坐标：q＝[x y z φL θL φ θ ψ]T，其一阶导数表示为二阶导数表示为/>
吊挂四旋翼无人机的位置，即四旋翼无人机的位置：ξ＝[x,y,z]T，其一阶导数表示为二阶导数表示为/>，x、y、z分别表示四旋翼无人机重心沿惯性坐标系Xe、Ye、Ze轴的位置；
吊挂四旋翼无人机的姿态角，即四旋翼飞行器的姿态角：η＝[φ,θ,ψ]T，其一阶导数表示为二阶导数表示为/>φ、θ、ψ分别为四旋翼飞行器的滚转角、俯仰角和偏航角；
负载的摆动角度：σ＝[φL,θL]T，θL为负载绕机体坐标系Yb轴的旋转角，其一阶导数表示为二阶导数表示为/>φL为负载绕机体坐标系Xb轴的旋转角，其一阶导数表示为二阶导数表示为/>
吊挂四旋翼无人机的广义力：Q＝[UT 01×2 τT]T，其中U＝[Ux,Uy,Uz]T，τ＝[τx,τy,τz]T，U为吊挂四旋翼无人机的位置控制输入，Ux，Uy，Uz分别为总推力F在惯性坐标系Xe、Ye、Ze上的分力，τ为吊挂四旋翼无人机的姿态控制输入，τx，τy，τz分别输入的滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩。
其中，
得到吊挂四旋翼无人机的数学模型为：
其中，M(q)，Vm(q)为系数矩阵，表示为：
其中，M11、M12、M22、C1、C2、G1、G2为中间变量，表示为：
可将上述数学模型简化，将具有外界扰动时的吊挂四旋翼无人机的位置与姿态的数学模型写为：
其中，e3为单位向量[0,0,1]T；dξ为作用在吊挂四旋翼飞行器上的位置扰动，dη为作用在吊挂四旋翼飞行器上的姿态扰动；a为中间变量，表示为：
S2、构造吊挂四旋翼无人机的误差系统，设计滑模控制器：
吊挂四旋翼无人机的期望位置：ξd＝[xd,yd,zd]T，其一阶导数表示为二阶导数表示为/>xd、yd、zd分别表示四旋翼无人机重心沿惯性坐标系Xe、Ye、Ze轴的期望位置；
吊挂四旋翼无人机的期望姿态角：ηd＝[φd,θd,ψd]T，其一阶导数表示为二阶导数表示为/>φd、θd、ψd分别为四旋翼无人机的期望滚转角、期望俯仰角和期望偏航角；
吊挂四旋翼无人机的位置误差：eξ＝ξd-ξ，其一阶导数表示为
吊挂四旋翼无人机的姿态角误差：eη＝ηd-η，其一阶导数表示为
根据误差系统，设计滑模控制器包括：
吊挂四旋翼无人机位置滑模变量为：其一阶导数表示为/>λξ为需设计的参数矩阵；
吊挂四旋翼无人机姿态角滑模变量为：其一阶导数表示为/>λη为需设计的参数矩阵；
取趋近律为：其中k1ξ、k2ξ、k1η、k2η均为需设计的参数矩阵。
得到滑模控制器为：
其中，λξ＝diag[λ1,λ2,λ3]，λη＝diag[λ4,λ5,λ6]，k1ξ＝diag[k11,k12,k13]，k1η＝diag[k14,k15,k16]，k2ξ＝diag[k21,k22,k23]，k2η＝diag[k24,k25,k26]，以上需设计的参数都为大于0的正数。
φd和θd为未知变量，需要通过中间变量计算得到φd和θd，根据吊挂四旋翼无人机位置和姿态角求解出φd和θd。
S3、针对吊挂负载质量不确定的情况，基于自适应控制方法，更新滑模控制器，得到自适应滑模控制器为：
其中，是负载质量的估计，其一阶导数表示为/>
负载质量的估计误差定义为其一阶导数/> 的自适应控制律为：
其中，为中间变量，/>函数Proj(*)为投影算子，定义为：
函数Proj(*)可以保证总为正，γ为需设计的参数，是大于0的正数。
S4、在存在外界干扰的情况下，设计吊挂四旋翼无人机的干扰观测器为：
吊挂四旋翼无人机的位置干扰观测器：
其中，l(ξ)为所需设计的变量；z1为中间变量，其一阶导数表示为/> 为位置扰动的估计值。
吊挂四旋翼无人机的姿态干扰观测器：
其中，l(η)为所需设计的变量；z2为中间变量，其一阶导数表示为 为姿态扰动的估计值。
得到最终自适应滑模控制器为：
采用最终自适应滑模控制器对变负载吊挂四旋翼无人机进行控制。
实施例二
基于相同的发明构思，本发明的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制系统，包括：
模型构建模块，用于根据拉格朗日方程建立吊挂四旋翼无人机的数学模型；
控制器设计模块，用于构造吊挂四旋翼无人机的误差系统，设计滑模控制器；
控制器更新模块，用于针对吊挂负载质量不确定的情况，采用自适应控制方法，更新滑模控制器，得到自适应滑模控制器，使其在负载实时变化的情况下能够实现轨迹跟踪；
反馈控制模块，用于针对存在外界干扰的情况，通过设计吊挂四旋翼无人机的干扰观测器，实时观测外界干扰并反馈到自适应滑模控制器中，得到最终自适应滑模控制器；并采用最终自适应滑模控制器对变负载吊挂四旋翼无人机进行控制。
实施例三
基于相同的发明构思，本发明实施例三的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制设备，所述设备包括：
存储有可执行程序代码的存储器；
与所述存储器耦合的处理器；
所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行如上述的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法。
该设备可以包括：存储有可执行程序代码的存储器；与存储器耦合的处理器；处理器调用存储器中存储的可执行程序代码，用于执行实施例一所描述的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法中的步骤。
存储器可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)和/或高速缓存存储器。设备可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储器可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(通常称为“硬盘驱动器”)。具有一组(至少一个)程序模块的程序/实用工具，可以存储在例如存储器中，这样的程序模块包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
处理器通过运行存储在存储器中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例一所提供的方法。
实施例四
基于相同的发明构思，本发明实施例四还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被调用时，用于执行如上述的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法。
本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如MATLAB、Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质,其计算机可执行指令不限于如上的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的方法中的相关操作。
实验仿真
下面将通过MATLAB中的Simulink对上述吊挂四旋翼无人机建模，并运用本发明方法验证控制器的有效性。
选取吊挂四旋翼无人机状态初值为：ξ＝[0,0,0]T，η＝[0,0,0]T，σ＝[0,0]T，
加入扰动
设定期望位置ξd＝[sint,2,1]T，期望偏航角ψd＝2。
此时可以得到控制效果如图2，图3，图4，图5。图2中(a)、(b)、(c)和(d)分别为吊挂四旋翼无人机位置x、y、z和偏航角ψ的变化曲线；图3中(a)和(b)分别为负载摆角φL、θL的变化曲线；图4为负载质量估计值变化曲线；图5中(a)、(b)和(c)为吊挂四旋翼无人机位置x、y、z的干扰观测器变化曲线，图5中(d)、(e)和(f)为吊挂四旋翼无人机姿态角φ、θ、ψ的干扰观测器变化曲线。图像中实线代表实际值，虚线代表期望值。图2说明本文所设计控制器能够使吊挂四旋翼无人机跟踪期望位置和期望偏航角；图3中由于吊挂四旋翼无人机位置在变化，负载的摆动角度没有收敛到零，但是在较小范围内变化；图4说明所设计的自适应律能够较好的跟踪负载变化量；图5说明干扰观测器能够准确地实时观测出外界干扰。
Claims (10)
1.基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据拉格朗日方程建立吊挂四旋翼无人机的数学模型；
构造吊挂四旋翼无人机的误差系统，设计滑模控制器；
针对吊挂负载质量不确定的情况，采用自适应控制方法，更新滑模控制器，得到自适应滑模控制器，使其在负载实时变化的情况下能够实现轨迹跟踪；
针对存在外界干扰的情况，通过设计吊挂四旋翼无人机的干扰观测器，实时观测外界干扰并反馈到自适应滑模控制器中，得到最终自适应滑模控制器，并对变负载吊挂四旋翼无人机进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法，其特征在于，所述根据拉格朗日方程建立吊挂四旋翼无人机的数学模型，具体包括：
吊挂四旋翼无人机包括四旋翼无人机以及悬吊在其上的负载，根据吊挂四旋翼无人机的位置、吊挂四旋翼无人机的姿态角、负载的摆动角度、吊挂四旋翼无人机的位置控制输入、吊挂四旋翼无人机的姿态控制输入以及外界扰动，建立扰动下的吊挂四旋翼无人机的位置与姿态数学模型：
其中，mQ为四旋翼无人机的质量；mL为吊挂负载的质量；l为吊挂绳长；I为四旋翼无人机的转动惯量，e3为单位向量[0,0,1]T；g为重力加速度；ξ为吊挂四旋翼无人机的位置，即四旋翼无人机的位置，其一阶导数表示为其二阶导数表示为/>η为吊挂四旋翼无人机的姿态角，即四旋翼无人机的姿态角，其一阶导数表示为/>其二阶导数表示为/>U为吊挂四旋翼无人机的位置控制输入；τ为吊挂四旋翼无人机的姿态控制输入；dξ为作用在吊挂四旋翼无人机上的位置扰动，dη为作用在吊挂四旋翼无人机上的姿态扰动；a为中间变量。
3.根据权利要求1所述的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法，其特征在于，所述构造吊挂四旋翼无人机的误差系统，设计滑模控制器，具体包括：
根据吊挂四旋翼无人机的期望位置ξd，以及吊挂四旋翼无人机的期望姿态角ηd，建立吊挂四旋翼无人机的误差系统为：
吊挂四旋翼无人机的位置误差：eξ＝ξd-ξ，ξ为吊挂四旋翼无人机的位置，即四旋翼无人机的位置；
吊挂四旋翼无人机的姿态角误差：eη＝ηd-η，η为吊挂四旋翼无人机的姿态角，即四旋翼无人机的姿态角；
根据误差系统，设计滑模控制器包括：
吊挂四旋翼无人机位置滑模变量为： 为吊挂四旋翼无人机的位置误差eξ的一阶导数，λξ为参数矩阵；
吊挂四旋翼无人机姿态角滑模变量为： 为吊挂四旋翼无人机的姿态角误差eη的一阶导数，λη为参数矩阵；
取趋近律为： 为吊挂四旋翼无人机位置滑模变量sξ的一阶导数，/>为吊挂四旋翼无人机姿态角滑模变量sη的一阶导数；sgn(*)为符号函数，k1ξ、k2ξ、k1η、k2η均为需设计的参数矩阵；
得到滑模控制器为：
其中，U为吊挂四旋翼无人机的位置控制输入；τ为吊挂四旋翼无人机的姿态控制输入；mQ为四旋翼无人机的质量；mL为吊挂负载的质量；l为吊挂绳长；a为中间变量；I为四旋翼无人机的转动惯量；和/>分别为吊挂四旋翼无人机的期望位置ξd的一阶导数和二阶导数；/>为吊挂四旋翼无人机的位置ξ的一阶导数；g为重力加速度；e3为单位向量；dξ为作用在吊挂四旋翼无人机上的位置扰动；/>和/>分别为吊挂四旋翼无人机的期望姿态角ηd的一阶导数和二阶导数；/>为吊挂四旋翼无人机的姿态角η的一阶导数；dη为作用在吊挂四旋翼无人机上的姿态扰动；滑模控制器中参数矩阵λξ，λη，k1ξ，k1η，k2ξ，k2η均为大于0的正数。
4.根据权利要求3所述的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法，其特征在于，吊挂四旋翼无人机的期望姿态角中期望滚转角φd和期望俯仰角θd为未知变量，根据吊挂四旋翼无人机位置和姿态角求解出φd和θd：
其中，Ux、Uy分别为吊挂四旋翼无人机在惯性坐标系中的总推力F在惯性坐标系Xe轴和Ye轴上的分力，ψ为吊挂四旋翼无人机的偏航角。
5.根据权利要求1所述的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法，其特征在于，所述自适应滑模控制器为：
其中，mQ为四旋翼无人机的质量；是负载质量的估计；/>和/>分别为吊挂四旋翼无人机的期望位置ξd的一阶导数和二阶导数；λξ为参数矩阵；/>为吊挂四旋翼无人机的位置ξ的一阶导数；sgn(*)为符号函数；sξ为吊挂四旋翼无人机位置滑模变量；g为重力加速度；e3为单位向量；dξ为作用在吊挂四旋翼无人机上的位置扰动；l为吊挂绳长；a为中间变量；k1ξ、k2ξ为需设计的参数矩阵；
负载质量的估计误差定义为mL为吊挂负载的质量；/>的一阶导数 的自适应控制律为：
其中，为负载质量的估计/>的一阶导数，γ为大于0的参数，/>为sξ的转置，/>为中间变量，函数Proj(*)为投影算子，用以保证/>总为正。
6.根据权利要求1所述的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法，其特征在于，所述针对存在外界干扰的情况，设计吊挂四旋翼无人机的干扰观测器，包括：
吊挂四旋翼无人机的位置干扰观测器：
其中，为位置扰动的估计值，z1为中间变量，/>为z1的一阶导数，/>l(ξ)为所需设计的变量，/>为吊挂四旋翼无人机的位置ξ的一阶导数，mQ为四旋翼无人机的质量；mL为吊挂负载的质量；g为重力加速度；e3为单位向量；l为吊挂绳长；a为中间变量；U1为最终设计的吊挂四旋翼无人机的位置控制输入；
吊挂四旋翼无人机的姿态干扰观测器：
其中，为姿态扰动的估计值，z2为中间变量，/>为z2的一阶导数，/>k(η)为所需设计的变量，η为吊挂四旋翼无人机的姿态角，/>为η的一阶导数；I为四旋翼无人机的转动惯量；τ为吊挂四旋翼无人机的姿态控制输入。
7.根据权利要求1所述的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法，其特征在于，得到的最终自适应滑模控制器为：
其中，U1为最终设计的吊挂四旋翼无人机的位置控制输入；τ为最终设计的吊挂四旋翼无人机的姿态控制输入；mQ为四旋翼无人机的质量；是负载质量的估计；I为四旋翼无人机的转动惯量；/>和/>分别为吊挂四旋翼无人机的期望位置ξd的一阶导数和二阶导数；λξ为参数矩阵；/>为吊挂四旋翼无人机的位置ξ的一阶导数；k1ξ，k1η，k2ξ，k2η均为大于0的参数矩阵；sgn(*)为符号函数；sξ为吊挂四旋翼无人机位置滑模变量；g为重力加速度；e3为单位向量；/>为位置扰动的估计值，l为吊挂绳长；a为中间变量；/>和/>分别为吊挂四旋翼无人机的期望姿态角ηd的一阶导数和二阶导数；/>为吊挂四旋翼无人机的姿态角η的一阶导数；λη为参数矩阵；sη为吊挂四旋翼无人机姿态角滑模变量；/>为姿态扰动的估计值；/>为负载质量的估计/>的一阶导数；γ为大于0的参数，/>为sξ的转置，/>为中间变量，函数Proj(*)为投影算子，用以保证/>总为正。
8.基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制系统，其特征在于，包括：
模型构建模块，用于根据拉格朗日方程建立吊挂四旋翼无人机的数学模型；
控制器设计模块，用于构造吊挂四旋翼无人机的误差系统，设计滑模控制器；
控制器更新模块，用于针对吊挂负载质量不确定的情况，采用自适应控制方法，更新滑模控制器，得到自适应滑模控制器，使其在负载实时变化的情况下能够实现轨迹跟踪；
反馈控制模块，用于针对存在外界干扰的情况，通过设计吊挂四旋翼无人机的干扰观测器，实时观测外界干扰并反馈到自适应滑模控制器中，得到最终自适应滑模控制器；并采用最终自适应滑模控制器对变负载吊挂四旋翼无人机进行控制。
9.基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制设备，其特征在于，所述设备包括：
存储有可执行程序代码的存储器；
与所述存储器耦合的处理器；
所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行如权利要求1-7任一项所述的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被调用时，用于执行如权利要求1-7任一项所述的基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310814715.XA CN116820116A (zh) | 2023-07-05 | 2023-07-05 | 基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310814715.XA CN116820116A (zh) | 2023-07-05 | 2023-07-05 | 基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116820116A true CN116820116A (zh) | 2023-09-29 |
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ID=88142761
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310814715.XA Pending CN116820116A (zh) | 2023-07-05 | 2023-07-05 | 基于干扰观测器的变负载吊挂四旋翼无人机控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116820116A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117434846A (zh) * | 2023-12-20 | 2024-01-23 | 中国海洋大学 | 一种四旋翼无人机吊挂系统的抗摇摆控制方法及控制系统 |
| CN117518800A (zh) * | 2023-11-10 | 2024-02-06 | 北京航空航天大学 | 四旋翼无人机吊挂载荷系统的鲁棒自适应控制方法及系统 |
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2023
- 2023-07-05 CN CN202310814715.XA patent/CN116820116A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117518800A (zh) * | 2023-11-10 | 2024-02-06 | 北京航空航天大学 | 四旋翼无人机吊挂载荷系统的鲁棒自适应控制方法及系统 |
| CN117434846A (zh) * | 2023-12-20 | 2024-01-23 | 中国海洋大学 | 一种四旋翼无人机吊挂系统的抗摇摆控制方法及控制系统 |
| CN117434846B (zh) * | 2023-12-20 | 2024-03-26 | 中国海洋大学 | 一种四旋翼无人机吊挂系统的抗摇摆控制方法及控制系统 |
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