[發(fā)明專利]面向消除穩(wěn)態(tài)誤差的飛行吊運(yùn)系統(tǒng)定位消擺方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010084607.8
• 申請(qǐng)日: 2020-02-10
• 公開（公告）號(hào): CN111176318B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁瀟;吳世珍;張鵬;方勇純
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 趙敏玲

本發(fā)明公開了一種面向消除穩(wěn)態(tài)誤差的飛行吊運(yùn)系統(tǒng)定位消擺方法及系統(tǒng)，屬于機(jī)電系統(tǒng)控制領(lǐng)域。該方法包括：根據(jù)系統(tǒng)三維空間的非線性模型，無需線性化與其他簡化操作，提出了一種新穎的非線性狀態(tài)反饋控制方法，其中所構(gòu)造的積分項(xiàng)可消除實(shí)際飛行中的穩(wěn)態(tài)誤差。此外，此方法兼顧了驅(qū)動(dòng)約束和負(fù)載擺動(dòng)動(dòng)態(tài)，在避免飽和問題的同時(shí)加快了擺動(dòng)的抑制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與現(xiàn)有方法相比，所提控制方案在擺動(dòng)抑制和飛行器定位等方面具有更好的暫態(tài)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于非線性欠驅(qū)動(dòng)機(jī)電系統(tǒng)自動(dòng)控制的技術(shù)領(lǐng)域，可以對(duì)動(dòng)力學(xué)模型極為復(fù)雜的旋翼飛行器吊運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，具體的涉及一種面向消除穩(wěn)態(tài)誤差的飛行吊運(yùn)系統(tǒng)定位消擺控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

近年，由于旋翼飛行器在機(jī)動(dòng)性上的顯著優(yōu)勢，它被廣泛應(yīng)用于搜救、災(zāi)害監(jiān)測和貨物運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)中。作為旋翼飛行器的一項(xiàng)重要應(yīng)用，空中運(yùn)輸任務(wù)越來越受到人們的重視。

目前空中運(yùn)輸方式中有一種是通過吊繩將貨物吊在旋翼飛行器下實(shí)現(xiàn)的。相對(duì)于夾持器夾持、機(jī)械手操縱等運(yùn)輸方式，通過吊繩懸掛可實(shí)現(xiàn)大體積貨物的運(yùn)輸任務(wù)。此外，考慮到成本代價(jià)與操作的復(fù)雜性，采用旋翼飛行器-吊繩-懸掛運(yùn)輸方式是較好的選擇。然而，相較于旋翼飛行器本體的控制，飛行吊運(yùn)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的非線性、更高的自由度和更強(qiáng)的狀態(tài)耦合。由于飛行吊運(yùn)系統(tǒng)是欠驅(qū)動(dòng)的，只能通過飛行器的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載擺動(dòng)的抑制，而為系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)力的旋翼飛行器本體也是欠驅(qū)動(dòng)的，使得系統(tǒng)呈現(xiàn)更為復(fù)雜的“雙重”欠驅(qū)動(dòng)特性，這就極大地增加了系統(tǒng)控制的難度。

為了實(shí)現(xiàn)高效的空中貨物運(yùn)輸，人們對(duì)擺動(dòng)抑制和旋翼飛行器定位進(jìn)行了一些有趣而有意義的研究。目前，開環(huán)方法和閉環(huán)反饋控制策略都得到了發(fā)展。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化處理的基礎(chǔ)上，Palunko等人通過動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法可以得到一條具有消擺效果的軌跡。Sreenath等提出了基于微分平坦方法的軌跡規(guī)劃算法，可應(yīng)用于避障等任務(wù)。此外，時(shí)間最優(yōu)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題也得到了研究，在考慮關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)和控制輸入的多種約束條件之下，保證了加速度的連續(xù)性，所得期望軌跡減小了電機(jī)的負(fù)擔(dān)，具有很好的實(shí)際應(yīng)用意義。閉環(huán)控制方法通過引入反饋，因而具有更好的暫態(tài)性能。典型的控制方法包括模型預(yù)測控制、互聯(lián)及阻尼分配的無源性控制、基于能量的控制方法等。Romero等針對(duì)在平面上建立的簡化系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了一種基于無源性的控制器。為解決跟蹤問題，Santos等利用線性離散狀態(tài)空間模型，構(gòu)造了路徑跟蹤任務(wù)的模型預(yù)測控制器。Qian等人對(duì)平動(dòng)子系統(tǒng)中存在的未知和不確定因素，在近似懸停的狀態(tài)下設(shè)計(jì)了控制器。

通過對(duì)飛行吊運(yùn)系統(tǒng)的綜述可以看出，雖然對(duì)飛行器定位和負(fù)載抑制的控制目標(biāo)已經(jīng)有了初步研究，但控制性能尚無法滿足實(shí)際工程需要。

首先，目前方法大多基于近懸停狀態(tài)的假設(shè)，有時(shí)被簡化為二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，模型無法完整反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)。另一方面，為降低控制器設(shè)計(jì)難度，一些方法首先對(duì)系統(tǒng)做線性化近似處理，基于此設(shè)計(jì)的控制器，在系統(tǒng)狀態(tài)遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)時(shí)性能將會(huì)降低。其次，在飛行吊運(yùn)過程中不可避免的各種未知擾動(dòng)，可能會(huì)產(chǎn)生定位誤差，然而，現(xiàn)有控制中還未有效應(yīng)對(duì)，直接引入積分項(xiàng)的操作將給穩(wěn)定性分析帶來許多困難。在實(shí)際控制中，電機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置僅能在一定范圍內(nèi)正常工作，若所設(shè)計(jì)控制輸入超出額定范圍將導(dǎo)致控制任務(wù)的失敗，而現(xiàn)有方案無法考慮執(zhí)行器的飽和約束。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種新的面向消除穩(wěn)態(tài)誤差的飛行吊運(yùn)系統(tǒng)定位消擺控制方法及裝置，以改善飛行吊運(yùn)系統(tǒng)的防擺和定位性能。在不進(jìn)行線性化操作的情況下，所提出的控制方案建立在三維空間的完整系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能函數(shù)，具有有效地減少穩(wěn)態(tài)誤差和控制輸入飽和約束的優(yōu)點(diǎn)，并保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本方法通過硬件實(shí)驗(yàn)對(duì)控制策略的性能進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)進(jìn)行飛行吊運(yùn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制研究具有重要的意義。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

第一方面，本發(fā)明提出了一種面向消除穩(wěn)態(tài)誤差的飛行吊運(yùn)系統(tǒng)定位消擺控制方法，包括以下步驟：

構(gòu)造飛行吊運(yùn)系統(tǒng)儲(chǔ)能函數(shù)；