[發明專利]基于部分反饋線性化四旋翼無人機吊掛飛行控制方法

在審

• 申請號: 201711320183.5
• 申請日: 2017-12-12
• 公開（公告）號: CN108052117A
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發明（設計）人: 鮮斌;楊森
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G05B13/04
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

1.一種基于能量法的四旋翼無人機吊掛飛行系統控制方法，其特征是，在設置有用于吊載物品的吊繩的無人機上實現，步驟是，建立非線性動力學模型，運用部分反饋線性化方法對四旋翼無人機吊掛飛行過程的非線性動力學模型進行部分線性化，進而設計控制器實現無人機控制。

2.如權利要求1所述的基于能量法的四旋翼無人機吊掛飛行系統控制方法，其特征是，進一步具體步驟是，首先通過分別對四旋翼無人機吊掛飛行過程中的無人機和吊掛物體分別進行受力分析，從而獲得四旋翼無人機吊掛飛行過程的非線性動力學模型：

m Q x ·· Q = F n x c o s γ - m Q s i n γ m Q + m L F n y + m Q m L s i n γ m Q + m L L γ · 2 , m Q z ·· Q = F n x s i n γ + m Q cos γ m Q + m L F n y - m Q m L c o s γ m Q + m L L γ · 2 - m Q g , m Q L γ ·· = - F n x - - - ( 1 ) ]]>

式(1)中各變量定義如下：mQ和mL分別為四旋翼無人機和負載的質量，L為繩長，γ為繩索與豎直方向的夾角，g為重力加速度，(xQ,zQ)為四旋翼飛行器在二維空間中的位置坐標，Fnx和Fny分別為：

F n x = F s i n ( γ - θ ) , F n y = F c o s ( γ - θ ) - - - ( 2 ) ]]>

式(2)中，F為四旋翼無人機提供的總升力，θ為其俯仰角；

吊掛繩索上的張力大小T的表達式如下：

T = m L ( F n y + LM Q γ · 2 ) m Q + m L - - - ( 3 ) ]]>

之后提出針對如式(1)所示系統的控制器設計：

F n x = m Q ( c o s γ ( x ·· d + u ) + s i n γ ( z ·· d + g + v ) ) , F n y = ( m Q + m L ) ( - s i n γ ( x ·· d + u ) + c o s γ ( z ·· d + g + v ) ) + m L L γ · 2 - - - ( 4 ) ]]>

式(4)中，各符號含義如下：

u = - k d x e · x - k p x e x - Lk γ cos γ γ · , v = - k d z e · z - k p z e z - - - ( 5 ) ]]>

式(5)中kpx,kpz,kdx,kz,kγ均為控制增益，且大于零；ex和ez分別表示四旋翼飛行器在x軸和z軸方向上的位置誤差ex＝xQ-xd，ez＝zQ-zd，(xd,zd)為四旋翼飛行器的目標位置；

式(5)控制增益中的kpx與kdx分別代表控制器中針對x控制方向的“比例項”與“微分項”；控制增益kpz與kdz分別代表控制器中針對z控制方向的“比例項”與“微分項”；控制增益kγ為控制器中針對擺角控制的“微分項”，擺角γ對應的“比例項”為固定值所以kγ的值應據此選擇。