[發明專利]一種繩系多無人機協同操作系統的預設時間控制方法

有效

• 申請號: 202011409655.6
• 申請日: 2020-12-03
• 公開（公告）號: CN112394644B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 黃攀峰;劉亞;張帆;張夷齋;馬志強
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 劉新瓊

本發明公開了一種繩系多無人機協同操作系統的預設時間控制方法。首先基于Udwadia?Kalaba方程，建立繩系多無人機協同操作系統的非線性耦合動力學模型；然后基于拉力優化分配的規劃無人機航跡；接下來基于固定時間收斂定理設計固定時間非奇異終端滑模面；最后基于滑模面，設計預設時間協同跟蹤控制律。本發明方法能夠解決繩系多無人機協同操作系統的魯棒快速穩定控制問題，并能夠解決具有快速收斂性能要求的控制問題。

技術領域

本發明屬于機器人領域，具體涉及一種無人機控制方法。

背景技術

旋翼無人機因為其強機動性、垂直起飛降落以及成本低廉等特性，受到國內外科研工作者的廣泛研究。旋翼無人機已經成功應用于商業表演、影視拍攝、安保監視、國防軍事等領域，在貨物運輸、災害救援等領域的應用研究也取得了顯著的成果。近年來，受直升機系繩懸掛式救援、物資運輸等操作，繩驅并聯機器人等應用的啟發，以及旋翼無人機技術的成熟，繩系多無人機協同操作系統應運而生。繩系多無人機協同操作系統具有廣闊的應用前景，比如城市高樓火災救援，物資定點投放，搜救，環境監視，礦產資源勘探等。繩系多無人機協同操作系統由無人機、系繩、懸掛重物三部分組成，其中無人機和懸掛重物通過系繩互相連接。因此，繩系多無人機協同操作系統是一種高度非線性、強耦合以及雙重欠驅動系統，實現其快速穩定控制具有理論和實際意義。

繩系多無人機協同操作系統的參數幾何構型設計、旋量可行工作空間分析、運動規劃以及動力學控制方面受到一定研究并取得了一些進展。在動力學控制方面，主要有兩種設計思路：1)、根據繩系多無人機協同操作系統的運動學或者利用哈密頓原理得到協同操作系統廣義坐標(包含懸掛載荷的位姿狀態)與無人機升力之間的動力學關系，實現懸掛載荷的主動位姿控制；2)、將懸掛載荷通過系繩對無人機產生的拉力視為對無人機的外界擾動，通過主動控制無人機的位姿，實現懸掛載荷位姿的間接控制。第一種設計思路需要測量懸掛載荷的位姿以及系繩的姿態角，且設計的控制律是集中式的，基于該方法繩系多無人機協同操作系統在室外應用不現實。第二種設計思路忽視了繩系多無人機協同操作系統的強耦合性以及欠驅動特性，不能有效抑制懸掛載荷的振動。并且，現有關于繩系多無人機協同操作系統的控制普遍采用漸進收斂方法。繩系多無人機協同操作系統往往要求在預定時間內完成操作任務，且由于系繩單向力特性導致懸掛載荷控制魯棒性低。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種繩系多無人機協同操作系統的預設時間控制方法。首先基于Udwadia-Kalaba方程，建立繩系多無人機協同操作系統的非線性耦合動力學模型；然后基于拉力優化分配的規劃無人機航跡；接下來基于固定時間收斂定理設計固定時間非奇異終端滑模面；最后基于滑模面，設計預設時間協同跟蹤控制律。本發明方法能夠解決繩系多無人機協同操作系統的魯棒快速穩定控制問題，并能夠解決具有快速收斂性能要求的控制問題。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

步驟1：基于Udwadia-Kalaba方程，建立繩系多無人機協同操作系統的非線性耦合動力學模型；

建立OXYZ地面慣性系，OX軸指向東，OZ軸豎直向上，OY軸與其他兩個軸滿足右手螺旋定理；建立o_ix_iy_iz_i為i^th無人機本體坐標系，設定原點o_i位于i^th無人機質心處，o_ix_i軸沿無人機運動方向，o_iz_i軸垂直于無人豎直向上，o_iy_i軸與其他兩個軸滿足右手螺旋定理；

假定：1)、飛行階段系繩處于張緊狀態；2)、系統慣性參數變化忽略不計；3)、系繩質量忽略不計且不可拉伸；4)、懸掛載荷為質點；5)、系繩連接在無人機的質心處；

根據牛頓-歐拉法，得到系統中懸掛載荷的動力學模型如式(1)所示：