[發明專利]一種四旋翼變繩長吊掛系統的路徑規劃與減擺控制方法

有效

• 申請號: 202011631309.2
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112817328B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 張棟;楊云霄;郗厚印;韓衡志;胡玉斌;張國慶;張學智
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G05D1/08;G05D1/04
• 代理公司: 青島華慧澤專利代理事務所(普通合伙) 37247
• 代理人: 劉娜

本發明公開了一種四旋翼變繩長吊掛系統的路徑規劃與減擺控制方法，包括如下步驟：建立四旋翼的數學模型和所吊掛負載的擺動模型；基于所建立的模型，對四旋翼和負載的狀態進行約束，根據約束條件計算樣條曲線的參數，得到規劃路徑；根據得到的規劃路徑，利用二分法求出滿足擺角約束條件的最小運輸時間；采用基于積分反步的串級控制方法，通過跟蹤所規劃的路徑，實現了負載的精確定位和負載的擺動角度抑制，在最短的時間內將負載送達預定位置。本發明所公開的方法通過規劃一個合適的平面運動軌跡，使得整個吊掛系統可以在最短的時間從初始位置到達期望位置，同時保持負載的擺角被限制在較小的范圍內，既提高了運輸效率，又保證了運輸的安全性。

技術領域

本發明涉及一種四旋翼控制方法，特別涉及一種四旋翼變繩長吊掛系統的路徑規劃與減擺控制方法。

背景技術

近年來，四旋翼飛行器懸掛操縱裝置已成為研究熱點，并廣泛應用于商業和科學領域。通常，操縱裝置主要分為四種類型：夾持器、機械手、纜繩和其他類，不同的操縱裝置適用于不同的應用場景。單自由度夾持器是使用最廣泛的操縱裝置，它直接安裝在四旋翼無人機的機身上或機身下。這種操縱裝置有三個優點：(1)易于制造，(2)建模和控制比較方便，(3)造價相對便宜。機械手主要由兩部分組成：附在無人機機身上的一個或多個多自由度手臂和帶有各種傳感器的抓手，一般來說，手臂和夾持器由伺服電機驅動。相對于夾持器而言，機械手顯著擴展了工作空間，并且可以利用機械手的冗余度來補償無人機運動的位置誤差。對于復雜的任務來說，這是一個更好的選擇。然而在利用四旋翼無人機運輸貨物時，纜繩會被更多的使用，因為它具有質量輕，適用范圍廣，更容易被廣大用戶接受等特點，所以在執行一般性的運輸任務中，纜繩會成為首選。除了以上三種類型的操縱裝置以外，還有其他針對不同應用場景需求而設置的特殊的操縱裝置。例如，一種由一個三自由度三角架、一個萬向節和一個末端執行器組成的操縱裝置用于與環境交互并進行超聲無損實驗的新型機械設計方案。

從使用四旋翼無人機運輸貨物的角度來說，使用纜繩是一種更大眾化的選擇，與外加夾持器和機械手相比，這種方式不會過大的增加四旋翼的攜帶重量，從而能夠承載更重的貨物，提高了運輸效率。另一方面，使用纜繩運輸貨物對四旋翼無人機的姿態變化不會產生太大的影響，四旋翼的姿態響應不會因需要帶動負載產生相同的姿態變化而變得遲緩。因此，對于使用繩索吊掛貨物的四旋翼吊掛系統的研究是具有重要的現實意義。現有的關于四旋翼吊掛負載的研究中都做出了繩索長度不會變化的假設，事實上，這一假設大大的限制了用四旋翼吊掛系統運輸貨物的時效性。和直升機往下系繩索相似，在四旋翼下安裝變繩長裝置，實現在即將到達目的地時邊飛行邊往地面放下繩索，可以大大節省了裝卸貨物的時間，一定程度上提高了運輸效率。可見，對變繩長四旋翼吊掛系統的研究是一個新的方向。

在現有的研究中，由于假設操縱裝置(主要是抓手)和目標的質量比無人機要小，研究者忽略了操縱裝置質心和慣性的變化，在此基礎上直接設計飛行控制器。這種不考慮四旋翼無人機與負載間的相互作用的建模方法被稱為“整體建模法”。然而，這是一種簡單但不精確的簡化建模方法。與此不同的一種建模方法是“分離建模法”，將四旋翼和所吊掛的負載分離成獨立的兩個部分，單獨建立他們的運動學模型，利用他們之間的耦合關系設計飛行控制器，這種情況下通常將負載運動對四旋翼無人機的影響看作一個外部干擾，所設計的控制器應考慮對干擾的抑制作用。

在以上的建模方式中，基本都會做出吊掛負載的纜繩長度是固定的，這樣在推導整個系統的動力學方程時不用考慮繩長的變化，繩長作為一個固定值就避免了其各階導數的出現，因此系統模型不會過于復雜。正如前文所說，對于變繩長四旋翼吊掛系統的研究是有一定現實意義的，因此，在建模時將繩長的變化考慮在內，是現階段我們要做的工作之一。