[发明专利]基于时间最优的旋翼飞行器吊运系统运动规划方法

说明书

一种基于时间最优的旋翼飞行器吊运系统运动规划方法，能够得到时间最优的飞行器定位与负载消摆轨迹，属于非线性欠驱动机电系统自动控制领域。首先建立完整的系统动力学模型，随后将系统表达为以加加速度为输入的非线性仿射形式。在离散化和近似化处理之后，可以将原本的时间最优运动规划问题转化为标准的非线性规划问题，这一过程中考虑负载摆动、飞行器速度、加速度、加加速度等各种约束。最后，利用序列二次规划方法即可对该问题进行求解。本发明在处理中无需线性化操作，保留了系统原本的属性，且可以加入对系统状态轨迹和输入量的约束；此外，该方法将飞行器加速度设为输入，从而得到加速度连续的轨迹，以免电机振动而影响其使用寿命。

技术领域

本发明属于非线性欠驱动机电系统自动控制的技术领域，特别是涉及一种基于时间最优的旋翼飞行器吊运系统运动规划方法。

背景技术

旋翼飞行器包括单旋翼直升机与多旋翼飞行器(如四旋翼、六旋翼、八旋翼等)，在日常生活的方方面面都有广泛应用，然而，其所具有的强非线性、强耦合性和欠驱动特性[1-3]，为其控制带来了许多困难。相较于旋翼飞行器的控制，本发明中研究的旋翼飞行器吊运系统，控制目标包含飞行器快速精确定位和负载摆动消除两个方面，即除了针对飞行器本体的控制，也需要考虑负载的消摆，而负载的引入加剧了系统的前述三个特性。具体而言，负载的运动无法直接进行控制，是由飞行器的平移运动通过吊绳带动产生，飞行器的平移运动又是决定于其旋转运动，因此对旋翼飞行器吊运系统的控制是一个更有挑战的问题。

国内外相关领域的学者针对旋翼飞行器吊运系统的自动控制问题开展了大量的研究工作，典型的方法可以分为两类：镇定/调节控制，轨迹规划结合跟踪控制。对前者的研究包括嵌套饱和控制[4]，连接和阻尼配置-无源控制[5]，非线性分层控制[6]，几何控制[7]等策略。轨迹规划结合跟踪控制的思路则是首先为飞行器设计一条轨迹，然后利用跟踪控制器对该飞行器期望轨迹进行跟踪，以完成对系统的控制。为此，很多学者对轨迹规划方法进行了研究。基于最优化原理，决策的最佳顺序具有无论初始状态如何，剩余的决策对于剩下的问题必须最优的性质，Fierro等[8-9]利用动态规划方法设计了消摆轨迹，但是需要对系统进行线性化。Sreenath等[10-11]则首先证明了旋翼飞行器吊运系统是微分平坦的，且以负载位置和飞行器偏航角为平坦输出，在此基础上构建平坦输出关于时间的优化问题并求解，从而得到了期望轨迹。Singhose等[12-13]将输入整形方法用于飞行器吊运系统，根据绳长量值将基本命令信号与一系列特定脉冲信号作卷积运算，从而实现消摆目标。此外，Faust等[14]提出将有限采样批量强化学习算法用于消摆轨迹的规划，Palunko等[15]则基于最小二乘策略迭代算法提出了一种飞行器轨迹的自学习策略。然而这些方法往往忽略了系统的状态轨迹和输入量约束，也没有考虑时间最优问题，因此限制了旋翼飞行器吊运系统的运送效率和安全性。此外，现有基于加速度为输入的规划方法会造成所得轨迹加速度不连续的问题，引发电机振动而影响其使用寿命。

发明内容

本发明的目的是解决现有旋翼飞行器吊运系统轨迹规划方法存在的上述不足，提供一种基于时间最优的旋翼飞行器吊运系统运动规划方法。

本发明通过建立完整的旋翼飞行器吊运系统动力学模型，分析飞行器平移运动与负载运动之间的动态耦合关系，将时间最优运动规划问题转换为非线性规划问题并利用序列二次规划方法进行求解，同时考虑系统状态量和控制输入约束，得到时间最优的飞行器平移运动轨迹。仿真与实验结果表明，本文方法不仅简单实用，并且在实现飞行器精确定位的同时可以快速消除负载摆动，提升了运送效率和系统的安全性，而以加加速度为输入的规划思路保证了加速度的连续性，减小了电机的负担，因而具有很好的实际应用意义。

本发明提供的基于时间最优的旋翼飞行器吊运系统运动规划方法包括：

第1、旋翼飞行器吊运系统动力学建模

利用拉格朗日方程建模，得到系统内外环模型如下：