[发明专利]多旋翼无人机吊挂运载控制方法和系统

说明书

本申请为多旋翼无人机绳索吊挂运载系统提供控制方法和系统。多旋翼无人机飞行会诱导绳索吊挂负载产生持续振荡，吊挂负载的振荡还会对无人机姿态有很大影响，严重影响空中运载效率和安全飞行。本申请提供一种新型混合控制方法，可以同时对无人机姿态和吊挂负载的振荡实现有效控制。这种混合控制方法包括：双吊挂机械结构、前置滤波器、和闭环控制器。双吊挂机械结构产生全耦合效果，可以抑制外扰动引起系统振荡。前置滤波器利用自身陷波滤波功能控制吊挂负载振荡。闭环控制器利用实时检测到的无人机飞行姿态信息形成闭环控制回路实现对姿态跟踪控制。本申请给出使用所提出的混合控制方法在多旋翼无人机吊挂运载系统和方法的实现方案。

技术领域

本发明涉及对多旋翼无人机绳索吊挂运载系统控制方法和系统，来达到安全运载的目的。使用前置滤波器抑制负载振荡，使用闭环控制器控制无人机姿态，使用双绳吊挂机械结构提供的全耦合效果来实现对外扰动抑制的目的。

背景技术

重型货物空中吊挂运输，不需要考虑飞行器装载体积和货物外形匹配的问题，可以克服地形限制，高效远距离运载较大体积货物。多旋翼无人机可以作为空中吊车使用。体积较大的负载通过绳索吊挂在无人机底部。无人机飞行过程中，会诱使负载产生持续振荡。负载振荡还会与无人机姿态运动产生耦合，对无人机吊挂运载系统的工作效率和安全运载都有很大影响。迫使该系统只能在较低飞行速度下工作。

国内外现有的空中吊车振荡控制方法：主动装置、闭环反馈控制、input shaping和command smoothing。

1973年美国直升机学会会刊报道过在负载上安装振荡抑制机械装置，可以有效抑制负载振荡。但是，这种在负载上安装的振荡抑制机械装置，增加了系统复杂性。

1973年美国飞机学报最早提出过通过检测负载振荡状态反馈给闭环控制回路中去。但是，负载振荡状态很难准确检测制约这种闭环反馈控制方法的实际工程应用。另外，飞行员也是一个闭环控制过程，通过五官感知外部世界，通过大脑判断决策，闭环反馈控制器会干扰飞行员的操纵性。

Input shaping技术是将操纵命令与一系列脉冲的离散卷积来构造整形后的命令驱动机器运动。离散卷积构造的整形器被称作input shaper，目前比较常用的inputshaper有：ZV shaper、ZVD shaper、EI shaper和SI shaper。成功地应用在工业起重机、三坐标测量机、和机器人的振动控制。input shaping构造的整形后命令一般不连续，在边界附近可能出现较大的冲击。

Command smoothing是将操纵命令与一个连续函数卷积处理，来产生光滑后的命令驱动机器运动。发明专利201810198274.4“空中吊车负载振荡控制方法和系统”给出一个连续函数，用于解决直升机吊挂振荡控制问题。

发明内容

为克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出一种新的控制方法和系统来为多旋翼无人机吊挂提供高效和安全运载的解决方案。

本发明的一个方面是为多旋翼无人机吊挂提供了新的控制方法，满足高效和安全运载需求。将操纵指令经过本发明提供的前置滤波器处理后，再送闭环控制回路驱动无人机吊挂运载，可以同时对无人机姿态和负载振荡进行控制。

本发明的另一方面，提出了一种适用于无人机吊挂运载控制的系统，包括：输入模块、计算模块和输出模块。其中，输入模块包括模拟信号或者数字信号采集装置，功能是对输入信号进行采集；计算模块，连接到采集模块，用于将采集到的输入信号根据所提供的方法进行数据处理；输出模块，连接到计算模块，用于将前置滤波和闭环控制后的指令驱动飞行器运动，包括信号调理转换装置、模拟信号或者数字信号输出装置。

本发明可以有效地对多旋翼无人机吊挂运载实现负载振荡抑制和无人机姿态控制。应用本发明的技术方案，可以在保证负载振荡控制和无人机姿态控制的基础上，实现工作效率最优和操作安全的解决方案。

附图说明