[发明专利]面向消除稳态误差的飞行吊运系统定位消摆方法及系统

说明书

本发明公开了一种面向消除稳态误差的飞行吊运系统定位消摆方法及系统，属于机电系统控制领域。该方法包括：根据系统三维空间的非线性模型，无需线性化与其他简化操作，提出了一种新颖的非线性状态反馈控制方法，其中所构造的积分项可消除实际飞行中的稳态误差。此外，此方法兼顾了驱动约束和负载摆动动态，在避免饱和问题的同时加快了摆动的抑制。实验结果表明，与现有方法相比，所提控制方案在摆动抑制和飞行器定位等方面具有更好的暂态性能。

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，可以对动力学模型极为复杂的旋翼飞行器吊运系统进行有效控制，具体的涉及一种面向消除稳态误差的飞行吊运系统定位消摆控制方法及系统。

背景技术

近年，由于旋翼飞行器在机动性上的显著优势，它被广泛应用于搜救、灾害监测和货物运输等任务中。作为旋翼飞行器的一项重要应用，空中运输任务越来越受到人们的重视。

目前空中运输方式中有一种是通过吊绳将货物吊在旋翼飞行器下实现的。相对于夹持器夹持、机械手操纵等运输方式，通过吊绳悬挂可实现大体积货物的运输任务。此外，考虑到成本代价与操作的复杂性，采用旋翼飞行器-吊绳-悬挂运输方式是较好的选择。然而，相较于旋翼飞行器本体的控制，飞行吊运系统具有更强的非线性、更高的自由度和更强的状态耦合。由于飞行吊运系统是欠驱动的，只能通过飞行器的控制实现对负载摆动的抑制，而为系统提供驱动力的旋翼飞行器本体也是欠驱动的，使得系统呈现更为复杂的“双重”欠驱动特性，这就极大地增加了系统控制的难度。

为了实现高效的空中货物运输，人们对摆动抑制和旋翼飞行器定位进行了一些有趣而有意义的研究。目前，开环方法和闭环反馈控制策略都得到了发展。在对系统进行线性化处理的基础上，Palunko等人通过动态规划方法可以得到一条具有消摆效果的轨迹。Sreenath等提出了基于微分平坦方法的轨迹规划算法，可应用于避障等任务。此外，时间最优运动规划问题也得到了研究，在考虑关于系统状态和控制输入的多种约束条件之下，保证了加速度的连续性，所得期望轨迹减小了电机的负担，具有很好的实际应用意义。闭环控制方法通过引入反馈，因而具有更好的暂态性能。典型的控制方法包括模型预测控制、互联及阻尼分配的无源性控制、基于能量的控制方法等。Romero等针对在平面上建立的简化系统模型，设计了一种基于无源性的控制器。为解决跟踪问题，Santos等利用线性离散状态空间模型，构造了路径跟踪任务的模型预测控制器。Qian等人对平动子系统中存在的未知和不确定因素，在近似悬停的状态下设计了控制器。

通过对飞行吊运系统的综述可以看出，虽然对飞行器定位和负载抑制的控制目标已经有了初步研究，但控制性能尚无法满足实际工程需要。

首先，目前方法大多基于近悬停状态的假设，有时被简化为二维平面内运动，模型无法完整反映系统动态。另一方面，为降低控制器设计难度，一些方法首先对系统做线性化近似处理，基于此设计的控制器，在系统状态远离平衡点时性能将会降低。其次，在飞行吊运过程中不可避免的各种未知扰动，可能会产生定位误差，然而，现有控制中还未有效应对，直接引入积分项的操作将给稳定性分析带来许多困难。在实际控制中，电机等驱动装置仅能在一定范围内正常工作，若所设计控制输入超出额定范围将导致控制任务的失败，而现有方案无法考虑执行器的饱和约束。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种新的面向消除稳态误差的飞行吊运系统定位消摆控制方法及装置，以改善飞行吊运系统的防摆和定位性能。在不进行线性化操作的情况下，所提出的控制方案建立在三维空间的完整系统动力学基础上，设计了储能函数，具有有效地减少稳态误差和控制输入饱和约束的优点，并保证闭环系统的稳定性。本方法通过硬件实验对控制策略的性能进行验证，对进行飞行吊运系统的自动控制研究具有重要的意义。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提出了一种面向消除稳态误差的飞行吊运系统定位消摆控制方法，包括以下步骤：

构造飞行吊运系统储能函数；