[發(fā)明專利]四旋翼無人機(jī)懸掛負(fù)載運(yùn)輸控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210677612.9
• 申請(qǐng)日: 2022-06-16
• 公開（公告）號(hào): CN114779649B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 嚴(yán)兵;程鵬;蔡晨曉;楊哲;孟高舉;張勇;姚娟;鄒云;王鶴翔;楊軼;趙麗媛;邱俊評(píng);馬沖;宋連港;梁巧云;曾雪雪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 南京佰騰智信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32509
• 代理人: 胡麗華

本發(fā)明涉及無人機(jī)飛行控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種四旋翼無人機(jī)懸掛負(fù)載運(yùn)輸控制方法，本發(fā)明通過雙目相機(jī)可以獲取準(zhǔn)確的負(fù)載擺角信息，同時(shí)所設(shè)計(jì)的運(yùn)輸控制方法能夠使無人機(jī)懸掛負(fù)載運(yùn)輸系統(tǒng)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的跟蹤期望軌跡，并且使負(fù)載的擺動(dòng)減至最小，以保證所運(yùn)輸負(fù)載的安全，不需要依賴于高精度的傳感器，不需要搭載高性能的機(jī)載計(jì)算機(jī)，有效減輕無人機(jī)的負(fù)載，提高無人機(jī)續(xù)航能力，具備重量輕、高可靠性、高精度的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無人機(jī)飛行控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種四旋翼無人機(jī)懸掛負(fù)載運(yùn)輸控制方法。

背景技術(shù)

無人機(jī)發(fā)展已有百余年歷史，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展，無人機(jī)逐漸能夠勝任越來越多復(fù)雜困難的飛行任務(wù)，目前已經(jīng)應(yīng)用于各行各業(yè)中。無人機(jī)的類型多種多樣，其中四旋翼無人機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能優(yōu)越，成為用途最為廣泛的機(jī)型。

與此同時(shí)，隨著物流行業(yè)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷更新，借助無人機(jī)實(shí)現(xiàn)物流運(yùn)輸終端環(huán)節(jié)的無人化精準(zhǔn)安全配送是未來的發(fā)展趨勢(shì)。旋翼式無人機(jī)懸掛負(fù)載運(yùn)輸?shù)姆绞剑梢詾樨浳锏难b卸提供便利，可以在不需要降落無人機(jī)的情況下進(jìn)行裝卸。同時(shí)，這種通過繩索懸掛負(fù)載的方式對(duì)無人機(jī)的影響也相對(duì)較小，不會(huì)改變無人機(jī)的重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等重要參數(shù)；只要在無人機(jī)載荷范圍內(nèi)，對(duì)負(fù)載的形狀也沒有過多的要求。

關(guān)于獲取目標(biāo)物體距離信息是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛以及自由移動(dòng)機(jī)器人等技術(shù)中最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其技術(shù)方式根據(jù)傳感器類型可以分為兩大類：接觸式測(cè)量技術(shù)和非接觸式測(cè)量技術(shù)。其中接觸式測(cè)量技術(shù)通過使用接觸式傳感器來獲取障礙物信息，盡管該技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程相對(duì)簡(jiǎn)單，但是由接觸式測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)而成的系統(tǒng)可預(yù)見性弱，自主控制程度低。如果在復(fù)雜的環(huán)境中使用該技術(shù)的測(cè)距系統(tǒng)，導(dǎo)致的結(jié)果是避障效率比較低，而且可能對(duì)測(cè)量系統(tǒng)本身以及周圍環(huán)境的物品造成難以預(yù)估的結(jié)果，此項(xiàng)技術(shù)不能很好融入人類生活。非接觸方式則是通過一些非接觸式的傳感器來獲取障礙物距離信息，其種類多、可控性高、應(yīng)用場(chǎng)景廣，因此非接觸式是一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域。

雙目相機(jī)是最常用的一種測(cè)距方法，其實(shí)現(xiàn)過程是模擬人類眼睛的成像模型。通過計(jì)算實(shí)際場(chǎng)景中的物體在左右相機(jī)成像，并融合左右圖像信息而帶來的視差信息來計(jì)算距離信息。雙口相機(jī)獲得的距離信息與視差信息成反比，當(dāng)采集得到的視差數(shù)據(jù)越大時(shí)，實(shí)際測(cè)得的距離信息越近。雙目相機(jī)的測(cè)距方法相對(duì)與其它方法，其設(shè)計(jì)成本低，普通的相機(jī)就能完成測(cè)距效果，由于是模擬人眼，其實(shí)現(xiàn)過程很直觀，而且對(duì)于遠(yuǎn)距離的口標(biāo)，測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確。

目前，四旋翼無人機(jī)懸掛負(fù)載運(yùn)輸時(shí)，存在負(fù)載的擺動(dòng)幅度大，無法實(shí)現(xiàn)位置的精確控制，到達(dá)指定位置費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種四旋翼無人機(jī)懸掛負(fù)載運(yùn)輸控制方法，實(shí)現(xiàn)了四旋翼無人機(jī)懸掛運(yùn)輸負(fù)載到指定位置并使負(fù)載的擺動(dòng)程度降到最小以保護(hù)負(fù)載的目的。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所采用的技術(shù)方案是：四旋翼無人機(jī)懸掛負(fù)載運(yùn)輸控制方法，控制方法包括如下步驟：

S1、在無人機(jī)底部安裝雙目相機(jī)組成四旋翼無人機(jī)懸掛負(fù)載運(yùn)輸系統(tǒng)，通過雙目相機(jī)測(cè)量繩索與慣性坐標(biāo)系重力方向之間的夾角；

S2、建立四旋翼無人機(jī)懸掛負(fù)載運(yùn)輸系統(tǒng)平面模型的動(dòng)力學(xué)模型；

S3、根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性定理，建立狀態(tài)誤差子系統(tǒng)，狀態(tài)誤差子系統(tǒng)包括實(shí)際位置與期望位置的誤差和實(shí)際負(fù)載擺角與期望擺角的誤差；

S4、根據(jù)無人機(jī)的位置誤差和負(fù)載擺動(dòng)抑制選擇合適的Lyapunov函數(shù)，以設(shè)計(jì)無人機(jī)位置控制器，針對(duì)負(fù)載質(zhì)量不確定的情況，在無人機(jī)位置控制器中加入了自適應(yīng)控制部分；

S5、根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性定理證明無人機(jī)位置控制器的穩(wěn)定性，從而使得無人機(jī)的實(shí)際位置最終收斂到期望位置。