[發明專利]一種懸掛負載空中機器人的抗擺控制方法

在審

• 申請號: 202010031591.4
• 申請日: 2020-01-13
• 公開（公告）號: CN111190440A
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 常樂;楊忠;許昌亮;徐浩;盧凱文;王少輝;李捷文
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種懸掛負載空中機器人的抗擺控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)根據懸掛負載空中機器人的機械結構，建立空中機器人的數學模型；

(2)對數學模型進行線性化處理，得到高度模型和擺動模型兩部分；

(3)根據高度模型，設計基于單層滑模控制方法的高度控制器進行高度控制；

(4)根據擺動模型，采用分層滑模控制方法設計抗擺控制器，實現抗擺控制；

(5)根據步驟(3)(4)中設計的滑模控制器固有的抖震現象，采用一種新型的厚度可變的邊界層法來抑制抖震現象。

2.根據權利要求1所述的一種懸掛負載空中機器人的抗擺控制方法，其特征在于，步驟(1)所述的數學模型為：

其中，{x_Q,z_Q}為空中機器人在慣性坐標系下x_i,z_i方向的坐標，α為負載的擺角；m_Q為空中機器人的質量，m_L為負載的質量；F_X和F_Z分別為空中機器人總升力在慣性坐標系的x_i軸和z_i軸方向的分力；g為重力加速度。

3.根據權利要求1所述的一種懸掛負載空中機器人的抗擺控制方法，其特征在于，步驟(2)所述的高度模型和擺動模型分別為：

其中，{x_Q,z_Q}為空中機器人在慣性坐標系下x_i,z_i方向的坐標，α為負載的擺角；m_Q為空中機器人的質量，m_L為負載的質量；F_X和F_Z分別為空中機器人總升力在慣性坐標系的x_i軸和z_i軸方向的分力；g為重力加速度。

4.根據權利要求1所述的一種懸掛負載空中機器人的抗擺控制方法，其特征在于，步驟(3)所述的高度控制器為：

其中，為設計的單層滑模面函數，其中e_z＝z_Q-z_Qd為高度誤差，z_Qd為期望高度位置，是給定的常數，c₁為正的常數，適當的選擇c₁的值可以得到期望的響應；K₁為正的常數，適當的選擇K₁的值可以得到較快的趨近速度。

5.根據權利要求1所述的一種懸掛負載空中機器人的抗擺控制方法，其特征在于，步驟(4)所述中抗擺控制器為：

其中，a₁,a₂為常數，ε₂,K₂均為正數；S＝a₁s₂+a₂s₃為第二層滑模面函數，其中為第一層滑模面函數，e_x＝x_Q-x_Qd，e_α＝α-α_d，x_Qd為期望位置，是給定的常數，α_d為期望的擺角，即α_d＝0，c₂和c₃為大于零的常數；其中f₃(x)＝0，

6.根據權利要求1所述的一種懸掛負載空中機器人的抗擺控制方法，其特征在于，步驟(5)所述的厚度可變的邊界層法為：

用飽和函數sat(S)來代替符號函數sgn(S)，其中，Δ為邊界層厚度，Δ越小，控制精度越高，抖震越明顯；Δ越大，控制精度越低，抖震越小；可變邊界層厚度的表達式為：

其中，0＜Δ₁＜Δ₂，分別為最小和最大邊界層厚度，當系統誤差的絕對值小于設定的最小誤差e_min時，邊界層厚度為Δ₁；系統誤差的大于設定的最大誤差e_max時，邊界層厚度為Δ₂；在兩者之間則線性變化。