[发明专利]四旋翼无人机吊挂运输系统的自适应控制方法

说明书

本发明涉及四旋翼无人机吊挂运输系统的位置精确控制和负载摆动的快速抑制，为提出针对具有未知对象参数(负载质量，空气阻尼系数)的四旋翼无人机吊挂运输系统，设计一种非线性控制器，同时设计一种参数自适应律，对未知参数进行在线估计，可以弥补系统的参数不确定性。本发明采用的技术方案是，四旋翼无人机吊挂运输系统的非线性控制方法，步骤如下：1)建立四旋翼无人机吊挂运输系统的动力学模型：2)设计非线性控制器与参数自适应律。本发明主要应用于四旋翼无人机吊挂运输系统的的控制。

技术领域

本发明涉及四旋翼无人机吊挂运输系统的位置精确控制和负载摆动的快速抑制。针对该系统具有欠驱动特性及存在未知对象参数的约束下，提出一种基于能量法的自适应耦合非线性控制器。具体讲，涉及四旋翼无人机吊挂运输系统的自适应控制方法。

背景技术

近年来，四旋翼无人机在自然灾害勘探、农业施肥，商用及军用等领域发挥着重要的作用，研究人员展开了很多相关研究。利用四旋翼无人机运送货物，是四旋翼无人机应用研究的重要方向之一。一种常见的方法是在四旋翼无人机下方直接装载负载物体，该方法存在一个弊端，由于负载增加了整个系统的惯性，导致无人机姿态变化缓慢，影响其飞行稳定性。为避免上述问题，目前大多数方案是采用绳索吊挂负载的方式运送物体，不仅无人机能保留其飞行的固有灵活性，而且通过无人机在指定目标位置定点悬停，方便进行负载的装卸。

无人机吊挂运输日益得到国内外研究人员的广泛关注，其控制目的在于将悬挂的负载平稳、安全、高效地运送到指定目标位置。针对四旋翼无人机吊挂运输控制研究，国内外研究团队提出了不同的控制方法。其中，美国宾夕法尼亚大学的研究人员较早展开了相关研究，取得了一些较好的研究成果。研究人员针对存在障碍物的环境，设计了一种轨迹规划方法，引导四旋翼吊挂系统避障飞行。文中采用了混合整数二次规划(Mixed IntegerQuadratic Program)对吊挂系统建模，在绳索拉力为零时，研究人员进行了带负载的飞行器模型和无负载的飞行器模型之间的转换。为使负载顺利通过比较狭窄的障碍空间，文中采用了两种不同的几何控制方法(geometric control)分别对两种模型进行控制(会议：IEEE International Conference on Robotics and Automation；著者：Tang S,Kumar V，出版年月：2015年；文章题目：Mixed integer quadratic program trajectorygeneration for a quadrotor with a cable-suspended payload，页码：2216-2222)。另外，美国新墨西哥大学也进行了关于四旋翼无人机吊挂控制的研究，研究人员在吊挂负载质量未知的情况下，利用几何控制与最小二乘估计(least-squares estimation)方法设计自适应控制器，有效补偿了负载质量的不确定性，实现了四旋翼无人机的安全起飞，最后做了数值仿真对算法进行了验证(会议：IEEE International Conference on DecisionControl；著者：Dai S,Lee T,Bernstein D S，出版年月：2014年；文章题目：Adaptivecontrol of a quadrotor UAV transporting a cable-suspended load with unknownmass，页码：6149-6154)。另外，其他一些研究团队进行无人机吊挂运输控制的研究，为达到四旋翼无人机能安全快速地运送物体的效果，研究人员提出了两种控制方法，第一种方法是通过反馈线性化和自适应控制方法来稳定系统，在假设模型没有负载的情况下，进行反馈线性化设计，之后利用自适应控制器对线性化部分进行补偿。第二种方法是基于动态规划(dynamic programming)的最优化轨迹生成，实现了最优无摆动轨迹跟踪控制。最后实验证明了所设计的两种算法都能达到期望的控制效果(期刊：IEEE RoboticsAutomationMagazine；著者：Palunko I,Cruz P,Fierro R，出版年月：2012年；文章题目：Agile LoadTransportation:Safe and Efficient Load Manipulation with Aerial Robots，页码：69-79)。