[发明专利]基于部分反馈线性化四旋翼无人机吊挂飞行控制方法

权利要求书

1.一种基于部分反馈线性化四旋翼无人机吊挂飞行控制方法，其特征是，在设置有用于吊载物品的吊绳的无人机上实现，步骤是，建立非线性动力学模型，运用部分反馈线性化方法对四旋翼无人机吊挂飞行过程的非线性动力学模型进行部分线性化，进而设计控制器实现无人机控制。

2.如权利要求1所述的基于部分反馈线性化四旋翼无人机吊挂飞行控制方法，其特征是，进一步具体步骤是，首先通过对四旋翼无人机吊挂飞行过程中的无人机和吊挂物体分别进行受力分析，从而获得四旋翼无人机吊挂飞行过程的非线性动力学模型：

式(1)中各变量定义如下：m_Q和m_L分别为四旋翼无人机和负载的质量，L为绳长，γ为绳索与竖直方向的夹角，g为重力加速度，(x_Q,z_Q)为四旋翼飞行器在二维空间中的位置坐标，F_nx和F_ny分别为：

式(2)中，F为四旋翼无人机提供的总升力，θ为其俯仰角；

吊挂绳索上的张力大小T的表达式如下：

之后提出针对如式(1)所示系统的控制器设计：

式(4)中，各符号含义如下：

式(5)中k_px,k_pz,k_dx,k_z,k_γ均为控制增益，且大于零；e_x和e_z分别表示四旋翼飞行器在x轴和z轴方向上的位置误差e_x＝x_Q-x_d，e_z＝z_Q-z_d，(x_d,z_d)为四旋翼飞行器的目标位置；

式(5)控制增益中的k_px与k_dx分别代表控制器中针对x控制方向的“比例项”与“微分项”；控制增益k_pz与k_dz分别代表控制器中针对z控制方向的“比例项”与“微分项”；控制增益k_γ为控制器中针对摆角控制的“微分项”，摆角γ对应的“比例项”为固定值所以k_γ的值应据此选择。

3.如权利要求1所述的基于部分反馈线性化四旋翼无人机吊挂飞行控制方法，其特征是，对控制器渐近收敛特性进行证明的步骤是：

首先将控制器(4)代入系统非线性模型(1)，得到：

式(6)中，其中为四旋翼无人机的位置与速度误差。则φ满足如下不等式：

|φ|<ρ(||p_Q||)||p_Q|| ⑺

其中||·||表示2范数，ρ(·)表示一个增函数，满足ρ(0)＝0；

设计备选李雅普诺夫函数

其中为系统的全状态量，则显然P为正定矩阵；

对式(8)求关于时间的一阶导数，得到

由γ²<γsinγ可知

其中

为正定函数，

则由式(7)得到

其中ρ₂(·)表示一个增函数，满足ρ₂(0)＝0；

所以对于任意初始状态，总存在一组足够大的{k_px,k_pz,k_dx,k_z,k_γ}，使得

其中Q₂正定函数。由此可以得到闭环系统为半全局渐进稳定的。也即

4.如权利要求3所述的基于部分反馈线性化四旋翼无人机吊挂飞行控制方法，其特征是，进行镇定控制和调节控制的数值仿真步骤，测试控制器(4)对于四旋翼无人机吊挂飞行系统的控制性能，在MATLAB/SIMULINK环境下进行仿真，以验证控制器的合理性和可行性。