[發明專利]基于微分求積法的無人機懸吊運輸穩定性分析和控制方法

有效

• 申請號: 201710359396.2
• 申請日: 2017-05-19
• 公開（公告）號: CN108958281B
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 董偉;丁燁;盛鑫軍;朱向陽
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

本發明提供了一種基于微分求積法的無人機懸吊運輸穩定性分析和控制方法，包括：基于無人機系統的位置環控制系統以及懸吊系統的特征參數，首先建立系統的動力學方程，然后設計時滯反饋系統，并確定該系統的狀態空間方程，在此基礎上，引入微分求積方法，求取相鄰兩時滯段之間的轉移矩陣，該轉移矩陣譜半徑小于1時，系統在時域內漸進收斂。根據這一基本原理，可求取系統的穩定邊界；然后在此穩定邊界內，以極小化譜半徑為目標，即可求得最速收斂控制參數。采用上述穩定域判定以及最優控制參數求取方法，可快速確定無人機懸吊運輸系統的最佳飛行控制策略，從而大幅提升無人機的飛行性能，產生良好的經濟效益。

技術領域

本發明涉及無人機技術領域，具體地，涉及基于微分求積法的無人機懸吊運輸穩定性分析和控制方法。

背景技術

在無人機的諸多應用當中，載物飛行是其有效輔助人類快速完成遠距離搬運作業的一類重要功用。當前無人機單體飛行控制已經取得比較成熟的研究成果，但對于有外接機構的情形，系統表現出時滯特征。對于此類系統，其穩定性邊界更難確定，因此也更難達到最優控制的目標。欲解決上述應用問題，目前通常有兩種解決思路。一是引入輸入整形，以消除懸吊飛行系統固有的輸入延遲。二是恰當的配置時滯反饋，以獲取最佳的收斂速度。第一種方法雖已被充分討論，但其配置方法與實施均有別于通常意義上的反饋控制，而第二種方法則與目前普遍采用的反饋控制方法具有相同的結構。配置時滯反饋系統的關鍵在于快速準確地確定系統的穩定區域，并搜索該區域獲取最速收斂控制參數。鑒于上述考慮，本研究提出基于微分求積方法的無人機懸吊運輸控制系統穩定域判定方法與最優控制參數搜索策略，以期使無人機系統穩定高效的完成相應作業任務，具有重要的理論與現實意義。

本發明依據多旋翼無人機的動力學特性，提供一種針對無人機懸吊運輸飛行的穩定域判定以及最優控制參數搜索方法。具體在建立懸吊運輸飛行控制系統動力學方程的基礎上，采用微分求積方法確定系統的穩定區域，最后在此區域范圍內，求取使系統響應最速收斂的控制參數。在提升計算效率的前提下，優化無人機懸吊運輸的飛行性能，產生良好的經濟效益。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基于微分求積法的無人機懸吊運輸穩定性分析和控制方法。

根據本發明提供的基于微分求積法的無人機懸吊運輸穩定性分析和控制方法，包括如下步驟：

步驟1：根據懸吊系統的物性特征，確定懸吊系統的動力學方程；

步驟2：以一階時滯系統近似描述無人機本體動力學響應特征；

步驟3：設計時滯反饋系統，建立閉環系統狀態空間方程；

步驟4：基于微分求積方法，確定相鄰兩時滯段之間的轉移矩陣；

步驟5：計算轉移矩陣譜半徑小于1的區域，所述區域即為系統穩定域；

步驟6：在穩定域內搜索譜半徑極小點，所述譜半徑極小點對應控制參數即為所需的最優控制點。

優選地，所述步驟1包括：假設一個質量為m_l,懸繩長度為l的懸吊系統，其動力學方程可以表述如下：

式中：m_l表示重物的質量，x_l表示重物在機體坐標系中相對于X軸的坐標，y_l表示重物在機體坐標系中相對于Y軸的坐標，g表示重力加速度，b表示無人機機體厚度的一半，θ_v及φ_v分別表示無人機橫滾角、俯仰角，σ表示空氣阻尼系數，表示x_l的一階導數，表示x_l的二階導數，表示y_l的一階導數，表示y_l的二階導數，x_v表示無人機X方向位置坐標，y_v表示無人機Y方向位置坐標。