[發(fā)明專利]多無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行吊運(yùn)系統(tǒng)及定位消擺控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110799601.3
• 申請(qǐng)日: 2021-07-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113359427B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁瀟;張壯;于海;方勇純
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南開(kāi)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B11/42
• 分類號(hào): G05B11/42
• 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: 張慶騫

本公開(kāi)提供了多無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行吊運(yùn)系統(tǒng)及定位消擺控制方法，包括：獲取系統(tǒng)狀態(tài)的測(cè)量值；構(gòu)造多無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行吊運(yùn)系統(tǒng)的儲(chǔ)能函數(shù)；根據(jù)飛行器和負(fù)載在平衡點(diǎn)穩(wěn)定后的受力關(guān)系獲得系統(tǒng)的前饋補(bǔ)償；基于儲(chǔ)能函數(shù)和前饋補(bǔ)償設(shè)計(jì)非線性控制器；結(jié)合控制器形式利用系統(tǒng)狀態(tài)的測(cè)量值得到輸入信號(hào)；在上述控制輸入信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，完成各飛行器定位與負(fù)載擺動(dòng)消除的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行吊運(yùn)；提升消擺控制效果；根據(jù)所述非線性控制方法，得到的狀態(tài)反饋控制器能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器定位與負(fù)載消擺的雙重目標(biāo)，提升飛行器吊運(yùn)系統(tǒng)的載重能力以及多個(gè)飛行器之間飛行的協(xié)調(diào)性與安全性，以及提高系統(tǒng)的實(shí)際性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開(kāi)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，具體涉及一種多無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行吊運(yùn)系統(tǒng)及面向此系統(tǒng)的定位消擺控制方法。

背景技術(shù)

本部分的陳述僅僅是提供了與本公開(kāi)相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。

近年來(lái)，隨著旋翼飛行器的研制技術(shù)越來(lái)越成熟，利用旋翼飛行器攜帶各種設(shè)備和貨物執(zhí)行空中運(yùn)輸任務(wù)是一項(xiàng)重要應(yīng)用，而單個(gè)或多個(gè)旋翼無(wú)人機(jī)吊運(yùn)系統(tǒng)的控制問(wèn)題也成為一個(gè)重要的研究課題。目前無(wú)人機(jī)運(yùn)送負(fù)載方式的吊繩懸掛方式，相比采用特殊的夾持器或者機(jī)械臂等夾持方式，吊繩懸掛的方式攜帶負(fù)載既可以保障旋翼飛行器自身的靈活機(jī)動(dòng)性，又可以保證負(fù)載有足夠大的運(yùn)動(dòng)空間。因此，從硬件成本、工程應(yīng)用以及系統(tǒng)的可拓展性出發(fā)，旋翼無(wú)人機(jī)采用吊繩懸掛運(yùn)送負(fù)載的方式是更好的選擇。旋翼飛行器的吊運(yùn)過(guò)程主要有兩個(gè)基本要求：飛行器的精確快速定位和負(fù)載擺動(dòng)的抑制與消除。然而，由于負(fù)載懸掛于飛行器的底部，無(wú)法直接對(duì)其控制，只能對(duì)飛行器本體施加控制來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本要求。因此，旋翼無(wú)人機(jī)飛行吊運(yùn)系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性、高自由度以及強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)。并且，單個(gè)飛行器由于載荷能力的限制，難以執(zhí)行大型負(fù)載的運(yùn)送任務(wù)，這時(shí)需要引入多個(gè)飛行器協(xié)同運(yùn)作以提升系統(tǒng)的運(yùn)載能力，而多飛行器的引入也使得系統(tǒng)的上述特性進(jìn)一步加強(qiáng)，給系統(tǒng)控制再次增加了難度。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)旋翼飛行器吊運(yùn)系統(tǒng)均展開(kāi)了一系列有意義的研究工作，對(duì)單飛行器吊運(yùn)系統(tǒng)和多飛行器吊運(yùn)系統(tǒng)的許多控制問(wèn)題都得到了解決與優(yōu)化?；谙到y(tǒng)線性化處理，Palunko等人通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法可以得到一條無(wú)負(fù)載擺動(dòng)的軌跡，并實(shí)現(xiàn)了四旋翼對(duì)軌跡的跟蹤控制。Tang等人提出了一種基于混合動(dòng)力系統(tǒng)的旋翼飛行器懸掛負(fù)載軌跡規(guī)劃算法，將整個(gè)系統(tǒng)建模為一個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)，并將軌跡生成問(wèn)題表示為一個(gè)混合整數(shù)二次規(guī)劃問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了單飛行器懸掛負(fù)載避障飛行的功能。對(duì)于多飛行器吊運(yùn)系統(tǒng)，除了要考慮飛行器本體和負(fù)載的控制問(wèn)題，還要考慮飛行器之間的相互作用。典型的控制方法包括互聯(lián)及阻尼分配的無(wú)源性控制、基于能量的控制方法等。Cardona等人提出一種分層控制，考慮多旋翼飛行器吊運(yùn)時(shí)飛行器與負(fù)載的相對(duì)位置，對(duì)于負(fù)載和飛行器整體采取無(wú)源性方法保持負(fù)載與各飛行器的相對(duì)位置。Gassner等人設(shè)計(jì)了主機(jī)-從機(jī)的飛行器控制策略，主飛行器采用LQR進(jìn)行控制，跟隨飛行器采用PD控制，可以實(shí)現(xiàn)以中等速度協(xié)同吊運(yùn)負(fù)載。通過(guò)對(duì)飛行吊運(yùn)系統(tǒng)的綜述可以看出，雖然對(duì)旋翼飛行器的定位和負(fù)載擺動(dòng)抑制問(wèn)題已經(jīng)有了初步的探索和研究，但從控制性能和工程應(yīng)用的角度均無(wú)法滿足實(shí)際需要。

首先，目前方法大多基于無(wú)人機(jī)懸停或半懸停狀態(tài)的假設(shè)，并且常被簡(jiǎn)化為二維平面系統(tǒng)進(jìn)行研究，得到的平面模型無(wú)法完整反映實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。另外，還有一些方法首先對(duì)吊運(yùn)系統(tǒng)做線性化的處理以簡(jiǎn)化控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程，但這種方法會(huì)使系統(tǒng)性能在遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)時(shí)大大下降。在實(shí)際應(yīng)用中，單個(gè)飛行器的載重能力往往十分有限，對(duì)于吊運(yùn)任務(wù)而言，不具有較大的工程意義。而在多飛行器吊運(yùn)系統(tǒng)實(shí)際控制中，當(dāng)遇到通訊問(wèn)題或者未知擾動(dòng)時(shí)，如何避免撞機(jī)事故也是亟待解決的工程問(wèn)題。

綜上所述，如何提升飛行器吊運(yùn)系統(tǒng)的載重能力以及多個(gè)飛行器之間飛行的協(xié)調(diào)性與安全性，以及提高系統(tǒng)的實(shí)際性能是目前需要解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問(wèn)題，本公開(kāi)提出了多無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行吊運(yùn)系統(tǒng)及定位消擺控制方法，可以對(duì)動(dòng)力學(xué)模型極為復(fù)雜的多個(gè)旋翼飛行器協(xié)同吊運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行有效控制。