[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

本發明公開了一種懸掛負載空中機器人的抗擺控制方法，首先根據懸掛負載空中機器人的機械結構建立起空中機器人的數學模型；其次對模型進行線性化處理，得到高度模型和擺動模型兩部分；接著基于高度模型采用單層滑模控制方法設計高度控制器，基于擺動模型采用分層滑模控制方法設計空中機器人抗擺控制律；最后針對滑模控制器固有的抖震現象，提出一種新型厚度可變的邊界層法來抑制抖震現象。本發明可有效降低懸掛負載空中機器人飛行過程中的負載擺動現象，并使空中機器人具有較好的位置控制效果。

技術領域

本發明屬于航空飛行器與機器人控制領域，具體涉及一種懸掛負載空中機器人的抗擺控制方法。

背景技術

近年來無人機應用的領域越來越廣泛，產生了不少的特種作業無人機，稱為空中機器人。空中機器人有著體積小、機動性強、能夠定點懸停等優點，成為了優秀的空中作業平臺。空中機器人作業時，負載經常會固定在機身下方，但由于機身下方負載擺放空間有限以及負載外形與機身不匹配的問題，負載的選擇存在著大量的限制，而將負載懸掛在機身下方則不再需要考慮這些問題，在貨物運輸、噴灑農藥等應用領域有著較大的應用前景。但是空中機器人懸掛負載飛行時，系統的穩定性會受到負載擺動的影響，極大地限制了該方式的應用，所以研究懸掛負載空中機器人的控制器設計有著重要意義。

無人機懸掛飛行研究一直受到國內外研究團隊的關注，國內外針對無人機懸掛飛行的問題提出了很多控制方法。但現有的控制方法中存在以下問題：(1)基于反步控制算法的非線性控制器，使得無人機可以在懸掛負載大幅度擺動時仍然能進行很好的軌跡跟蹤，但是并沒有對懸掛負載的位置進行控制，飛行過程中存在負載劇烈擺動的情況。(2)運用了微分平滑方法設計了針對平面四旋翼無人機懸掛系統的控制器，實現了針對四旋翼無人機懸掛系統的軌跡生成和跟蹤，但是沒有給出穩定性證明。(3)使用迭代線性二次型最優控制器，實現了無人機的軌跡跟蹤控制并抑制了懸掛負載的擺動，雖然控制效果顯著，但是控制器復雜，需要復雜的運算，現有的無人機上的機載微處理器達不到要求的運算速度。(4)采用了強化學習的方法，對特定負載的直升機飛行控制系統進行訓練，達到了對懸掛負載的軌跡進行規劃的目的，但只能在特定重量的負載下才能使用，當改變負載需要重新進行訓練，適用性不強。

發明內容

發明目的：本發明提出一種懸掛負載空中機器人的抗擺控制方法，以使空中機器人在飛行過程中能夠快速減小負載的擺動，并能快速到達指定位置。

技術方案：本發明所述的一種懸掛負載空中機器人的抗擺控制方法，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。

進一步地，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。

進一步地，步驟(2)所述的高度模型和擺動模型分別為：