基于部分反饋線性化四旋翼無人機吊掛飛行控制方法技術

本發明專利技術涉及一種四旋翼無人機負載飛行的控制方法，為提出一種基于部分反饋線性化方法的非線性控制器，實現四旋翼無人機軌跡跟蹤的同時較好地抑制吊掛負載在飛行中的擺動。本發明專利技術采用的技術方案是，基于部分反饋線性化四旋翼無人機吊掛飛行控制方法，在設置有用于吊載物品的吊繩的無人機上實現，步驟是，建立非線性動力學模型，運用部分反饋線性化方法對四旋翼無人機吊掛飛行過程的非線性動力學模型進行部分線性化，進而設計控制器實現無人機控制。本發明專利技術主要應用于四旋翼無人機負載飛行的控制場合。

Flight control method of four rotor unmanned aerial vehicle suspension based on partial feedback linearization

The invention relates to a four rotor UAV flight load control method, put forward a nonlinear controller based on feedback linearization method part, the realization of the four rotor and man-machine trajectory tracking restrain the slung load in flight swing. The technical scheme of the invention is that the partial feedback linearization of four rotor UAV flight control method based on the suspension, is used for lifting sling load items of the UAV implementation step is establishing a dynamic model, using the nonlinear dynamics model of partial feedback linearization method for UAV flight on the four hanging of rotor partial linearization, and then design a controller for UAV control. The invention is mainly applied to the control situation of the load flying of the four rotor unmanned aerial vehicle.

【技術實現步驟摘要】
基于部分反饋線性化四旋翼無人機吊掛飛行控制方法
本專利技術涉及一種四旋翼無人機負載飛行的控制方法，特別是涉及四旋翼無人機以吊掛方式負載物體飛行的控制方法。
技術介紹
四旋翼無人機是一種多旋翼結構的飛行器。由于四旋翼無人機便利、廉價、機動性能強的優勢，近年來四旋翼無人機吊掛飛行系統越來越受到人們的關注。目前國內研究人員的相關研究工作多為針對全尺寸直升機吊掛飛行中，面向飛行員的操作控制性性能問題，以及針對吊掛繩索和吊掛載荷的空氣動力學特性分析問題(期刊：南京航空航天大學學報；著者：齊萬濤，陳仁良；出版年月：2011年；文章題目：直升機吊掛飛行穩定性和操縱性分析；頁碼：406-412)。而對微、小型多旋翼無人機的吊掛飛行問題涉及相對較少。國外研究人員針對無人機直升機吊掛飛行的問題提出了一些不同的控制方法。G.Wu等人(期刊：IEEEAccess；著者：G.Wu,K.Sreenath；出版年月：2015年；文章題目：Variation-BasedLinearizationofNonlinearSystemsEvolvingonSO(3)andS2；頁碼：1592–1604)提出一種針對SO(3)系統的時變線性化方法，運用該方法對四旋翼無人機吊掛系統進行了線性化分析，并以此設計了LQR(linearquadraticregulator)控制器實現了對該系統的穩定控制。另一些研究團隊針對四旋翼無人機吊掛飛行系統的軌跡跟蹤問題進行了研究。S.Notter等人(期刊：IFACPapersOnLine；著者：S.Notter,A.Heckmann,A.Mcfadyen,F.Gonzalez；出版年月：2016年；文章題目：Modelling,SimulationandFlightTestofaModelPredictiveControlledMultirotorwithHeavySlungLoad；頁碼：182–187)運用模型預測控制(MPC，ModelPredictiveControl)方法實現了針對多旋翼吊掛飛行的穩定控制和精確定位。K.Sreenath等人(會議：InProceedingsof2013IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation；著者：K.Sreenath,N.Michael,andV.Kumar；出版年月：2013年；文章題目：TrajectoryGenerationandControlofaQuadrotorwithaCable-SuspendedLoad–ADifferentially-FlatHybridSystem；頁碼：4888-4895)利用微分平坦方法針對四旋翼吊掛飛行系統設計了非線性控制策略，實現了四旋翼穩定的飛行與吊掛減擺的控制效果。為實現吊掛減擺的目的，一些研究團隊運用了軌跡規劃的方法。S.Tang等人(會議：InProceedingsof2015IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation；著者：S.Tang,V.Kumar；出版年月：2013年；文章題目：MixedIntegerQuadraticProgramTrajectoryGenerationforaQuadrotorwithaCable-SuspendedPayload；頁碼：2216-2222.)利用MixedIntegerQuadraticProgram的軌跡規劃方法，實現四旋翼飛行軌跡生成，使其飛行過程中吊掛負載擺動達到預期的效果。另外一些研究團隊針對多無人機同時吊掛同一負載問題、吊掛繩索彈性問題、與吊掛四旋翼無人機帶吊掛負載起降問題進行了研究。
技術實現思路
為克服現有技術的不足，本專利技術旨在提出一種基于部分反饋線性化方法的非線性控制器，實現四旋翼無人機軌跡跟蹤的同時較好地抑制吊掛負載在飛行中的擺動。本專利技術采用的技術方案是，基于部分反饋線性化四旋翼無人機吊掛飛行控制方法，在設置有用于吊載物品的吊繩的無人機上實現，步驟是，建立非線性動力學模型，運用部分反饋線性化方法對四旋翼無人機吊掛飛行過程的非線性動力學模型進行部分線性化，進而設計控制器實現無人機控制。進一步具體步驟是，首先通過對四旋翼無人機吊掛飛行過程中的無人機和吊掛物體分別進行受力分析，從而獲得四旋翼無人機吊掛飛行過程的非線性動力學模型：式(1)中各變量定義如下：mQ和mL分別為四旋翼無人機和負載的質量，L為繩長，γ為繩索與豎直方向的夾角，g為重力加速度，(xQ,zQ)為四旋翼飛行器在二維空間中的位置坐標，Fnx和Fny分別為：式(2)中，F為四旋翼無人機提供的總升力，θ為其俯仰角；吊掛繩索上的張力大小T的表達式如下：之后提出針對如式(1)所示系統的控制器設計：式(4)中，各符號含義如下：式(5)中kpx,kpz,kdx,kz,kγ均為控制增益，且大于零；ex和ez分別表示四旋翼飛行器在x軸和z軸方向上的位置誤差ex＝xQ-xd，ez＝zQ-zd，(xd,zd)為四旋翼飛行器的目標位置；式(5)控制增益中的kpx與kdx分別代表控制器中針對x控制方向的“比例項”與“微分項”；控制增益kpz與kdz分別代表控制器中針對z控制方向的“比例項”與“微分項”；控制增益kγ為控制器中針對擺角控制的“微分項”，擺角γ對應的“比例項”為固定值所以kγ的值應據此選擇。對控制器漸近收斂特性進行證明的步驟是：首先將控制器(4)代入系統非線性模型(1)，得到：式(6)中，其中為四旋翼無人機的位置與速度誤差。則φ滿足如下不等式：|φ|<ρ(||pQ||)||pQ||⑺其中||·||表示2范數，ρ(·)表示一個增函數，滿足ρ(0)＝0；設計備選李雅普諾夫函數其中為系統的全狀態量，則顯然P為正定矩陣；對式(8)求關于時間的一階導數，得到由γ2<γsinγ可知其中為正定函數，則由式(7)得到其中ρ2(·)表示一個增函數，滿足ρ2(0)＝0；所以對于任意初始狀態，總存在一組足夠大的{kpx,kpz,kdx,kz,kγ}，使得其中Q2正定函數。由此可以得到閉環系統為半全局漸進穩定的。也即進行鎮定控制和調節控制的數值仿真步驟，測試控制器(4)對于四旋翼無人機吊掛飛行系統的控制性能，在MATLAB/SIMULINK環境下進行仿真，以驗證控制器的合理性和可行性。本專利技術的特點及有益效果是：本專利技術設計基于部分反饋線性化方法的控制器，對四旋翼無人機攜帶的吊掛負載具有較好的減擺效果。在保證四旋翼無人機跟蹤指定軌跡的同時兼顧考慮了攜帶負載的減擺問題，實現了在四旋翼無人機位置誤差漸近收斂的同時擺角也漸近收斂到零。附圖說明：圖1是四旋翼無人機吊掛系統結構簡圖。圖2跟蹤控制數值仿真時的系統狀態、控制輸入和狀態誤差圖。a是跟蹤控制數值仿真時的四旋翼無人機位置變化曲線；b是跟蹤控制數值仿真時的四旋翼無人機位置誤差變化曲線；c是跟蹤控制數值仿真時的控制輸入速變化曲線；d是跟蹤控制數值仿真時的吊掛負載擺角變化曲線。具體實施方式為克服現有技術的不足，本專利技術旨在提出一種基于部分反饋線性化方法的非線性控制器，實現四旋翼無人機軌跡跟蹤的同時較好地抑制吊掛負載在飛行中的擺動。本專利技術采用的技術方案是本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于部分反饋線性化四旋翼無人機吊掛飛行控制方法，其特征是，在設置有用于吊載物品的吊繩的無人機上實現，步驟是，建立非線性動力學模型，運用部分反饋線性化方法對四旋翼無人機吊掛飛行過程的非線性動力學模型進行部分線性化，進而設計控制器實現無人機控制。

【技術特征摘要】
1.一種基于部分反饋線性化四旋翼無人機吊掛飛行控制方法，其特征是，在設置有用于吊載物品的吊繩的無人機上實現，步驟是，建立非線性動力學模型，運用部分反饋線性化方法對四旋翼無人機吊掛飛行過程的非線性動力學模型進行部分線性化，進而設計控制器實現無人機控制。2.如權利要求1所述的基于部分反饋線性化四旋翼無人機吊掛飛行控制方法，其特征是，進一步具體步驟是，首先通過對四旋翼無人機吊掛飛行過程中的無人機和吊掛物體分別進行受力分析，從而獲得四旋翼無人機吊掛飛行過程的非線性動力學模型：式(1)中各變量定義如下：mQ和mL分別為四旋翼無人機和負載的質量，L為繩長，γ為繩索與豎直方向的夾角，g為重力加速度，(xQ,zQ)為四旋翼飛行器在二維空間中的位置坐標，Fnx和Fny分別為：式(2)中，F為四旋翼無人機提供的總升力，θ為其俯仰角；吊掛繩索上的張力大小T的表達式如下：之后提出針對如式(1)所示系統的控制器設計：式(4)中，各符號含義如下：式(5)中kpx,kpz,kdx,kz,kγ均為控制增益，且大于零；ex和ez分別表示四旋翼飛行器在x軸和z軸方向上的位置誤差ex＝xQ-xd，ez＝zQ-zd，(xd,zd)為四旋翼飛行器的目標位置；式(5)控制增益中的kpx與kdx分別代表控制器中針對x控制方向的“比例項”與...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鮮斌，楊森，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津,12