[发明专利]多无人机协同飞行吊运系统及定位消摆控制方法

说明书

本公开提供了多无人机协同飞行吊运系统及定位消摆控制方法，包括：获取系统状态的测量值；构造多无人机协同飞行吊运系统的储能函数；根据飞行器和负载在平衡点稳定后的受力关系获得系统的前馈补偿；基于储能函数和前馈补偿设计非线性控制器；结合控制器形式利用系统状态的测量值得到输入信号；在上述控制输入信号的驱动下，完成各飞行器定位与负载摆动消除的目标，实现多无人机协同飞行吊运；提升消摆控制效果；根据所述非线性控制方法，得到的状态反馈控制器能够实现飞行器定位与负载消摆的双重目标，提升飞行器吊运系统的载重能力以及多个飞行器之间飞行的协调性与安全性，以及提高系统的实际性能。

技术领域

本公开属于非线性欠驱动机电系统自动控制的技术领域，具体涉及一种多无人机协同飞行吊运系统及面向此系统的定位消摆控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成现有技术。

近年来，随着旋翼飞行器的研制技术越来越成熟，利用旋翼飞行器携带各种设备和货物执行空中运输任务是一项重要应用，而单个或多个旋翼无人机吊运系统的控制问题也成为一个重要的研究课题。目前无人机运送负载方式的吊绳悬挂方式，相比采用特殊的夹持器或者机械臂等夹持方式，吊绳悬挂的方式携带负载既可以保障旋翼飞行器自身的灵活机动性，又可以保证负载有足够大的运动空间。因此，从硬件成本、工程应用以及系统的可拓展性出发，旋翼无人机采用吊绳悬挂运送负载的方式是更好的选择。旋翼飞行器的吊运过程主要有两个基本要求：飞行器的精确快速定位和负载摆动的抑制与消除。然而，由于负载悬挂于飞行器的底部，无法直接对其控制，只能对飞行器本体施加控制来实现两个基本要求。因此，旋翼无人机飞行吊运系统具有强非线性、高自由度以及强耦合性等特点。并且，单个飞行器由于载荷能力的限制，难以执行大型负载的运送任务，这时需要引入多个飞行器协同运作以提升系统的运载能力，而多飞行器的引入也使得系统的上述特性进一步加强，给系统控制再次增加了难度。

目前，国内外学者针对旋翼飞行器吊运系统均展开了一系列有意义的研究工作，对单飞行器吊运系统和多飞行器吊运系统的许多控制问题都得到了解决与优化。基于系统线性化处理，Palunko等人通过动态规划方法可以得到一条无负载摆动的轨迹，并实现了四旋翼对轨迹的跟踪控制。Tang等人提出了一种基于混合动力系统的旋翼飞行器悬挂负载轨迹规划算法，将整个系统建模为一个混合动力系统，并将轨迹生成问题表示为一个混合整数二次规划问题，实现了单飞行器悬挂负载避障飞行的功能。对于多飞行器吊运系统，除了要考虑飞行器本体和负载的控制问题，还要考虑飞行器之间的相互作用。典型的控制方法包括互联及阻尼分配的无源性控制、基于能量的控制方法等。Cardona等人提出一种分层控制，考虑多旋翼飞行器吊运时飞行器与负载的相对位置，对于负载和飞行器整体采取无源性方法保持负载与各飞行器的相对位置。Gassner等人设计了主机-从机的飞行器控制策略，主飞行器采用LQR进行控制，跟随飞行器采用PD控制，可以实现以中等速度协同吊运负载。通过对飞行吊运系统的综述可以看出，虽然对旋翼飞行器的定位和负载摆动抑制问题已经有了初步的探索和研究，但从控制性能和工程应用的角度均无法满足实际需要。

首先，目前方法大多基于无人机悬停或半悬停状态的假设，并且常被简化为二维平面系统进行研究，得到的平面模型无法完整反映实际系统的动态。另外，还有一些方法首先对吊运系统做线性化的处理以简化控制器的设计过程，但这种方法会使系统性能在远离平衡点时大大下降。在实际应用中，单个飞行器的载重能力往往十分有限，对于吊运任务而言，不具有较大的工程意义。而在多飞行器吊运系统实际控制中，当遇到通讯问题或者未知扰动时，如何避免撞机事故也是亟待解决的工程问题。

综上所述，如何提升飞行器吊运系统的载重能力以及多个飞行器之间飞行的协调性与安全性，以及提高系统的实际性能是目前需要解决的技术难题。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提出了多无人机协同飞行吊运系统及定位消摆控制方法，可以对动力学模型极为复杂的多个旋翼飞行器协同吊运系统进行有效控制。