[发明专利]基于微分求积法的无人机悬吊运输稳定性分析和控制方法

说明书

本发明提供了一种基于微分求积法的无人机悬吊运输稳定性分析和控制方法，包括：基于无人机系统的位置环控制系统以及悬吊系统的特征参数，首先建立系统的动力学方程，然后设计时滞反馈系统，并确定该系统的状态空间方程，在此基础上，引入微分求积方法，求取相邻两时滞段之间的转移矩阵，该转移矩阵谱半径小于1时，系统在时域内渐进收敛。根据这一基本原理，可求取系统的稳定边界；然后在此稳定边界内，以极小化谱半径为目标，即可求得最速收敛控制参数。采用上述稳定域判定以及最优控制参数求取方法，可快速确定无人机悬吊运输系统的最佳飞行控制策略，从而大幅提升无人机的飞行性能，产生良好的经济效益。

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体地，涉及基于微分求积法的无人机悬吊运输稳定性分析和控制方法。

背景技术

在无人机的诸多应用当中，载物飞行是其有效辅助人类快速完成远距离搬运作业的一类重要功用。当前无人机单体飞行控制已经取得比较成熟的研究成果，但对于有外接机构的情形，系统表现出时滞特征。对于此类系统，其稳定性边界更难确定，因此也更难达到最优控制的目标。欲解决上述应用问题，目前通常有两种解决思路。一是引入输入整形，以消除悬吊飞行系统固有的输入延迟。二是恰当的配置时滞反馈，以获取最佳的收敛速度。第一种方法虽已被充分讨论，但其配置方法与实施均有别于通常意义上的反馈控制，而第二种方法则与目前普遍采用的反馈控制方法具有相同的结构。配置时滞反馈系统的关键在于快速准确地确定系统的稳定区域，并搜索该区域获取最速收敛控制参数。鉴于上述考虑，本研究提出基于微分求积方法的无人机悬吊运输控制系统稳定域判定方法与最优控制参数搜索策略，以期使无人机系统稳定高效的完成相应作业任务，具有重要的理论与现实意义。

本发明依据多旋翼无人机的动力学特性，提供一种针对无人机悬吊运输飞行的稳定域判定以及最优控制参数搜索方法。具体在建立悬吊运输飞行控制系统动力学方程的基础上，采用微分求积方法确定系统的稳定区域，最后在此区域范围内，求取使系统响应最速收敛的控制参数。在提升计算效率的前提下，优化无人机悬吊运输的飞行性能，产生良好的经济效益。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于微分求积法的无人机悬吊运输稳定性分析和控制方法。

根据本发明提供的基于微分求积法的无人机悬吊运输稳定性分析和控制方法，包括如下步骤：

步骤1：根据悬吊系统的物性特征，确定悬吊系统的动力学方程；

步骤2：以一阶时滞系统近似描述无人机本体动力学响应特征；

步骤3：设计时滞反馈系统，建立闭环系统状态空间方程；

步骤4：基于微分求积方法，确定相邻两时滞段之间的转移矩阵；

步骤5：计算转移矩阵谱半径小于1的区域，所述区域即为系统稳定域；

步骤6：在稳定域内搜索谱半径极小点，所述谱半径极小点对应控制参数即为所需的最优控制点。

优选地，所述步骤1包括：假设一个质量为m_l,悬绳长度为l的悬吊系统，其动力学方程可以表述如下：

式中：m_l表示重物的质量，x_l表示重物在机体坐标系中相对于X轴的坐标，y_l表示重物在机体坐标系中相对于Y轴的坐标，g表示重力加速度，b表示无人机机体厚度的一半，θ_v及φ_v分别表示无人机横滚角、俯仰角，σ表示空气阻尼系数，表示x_l的一阶导数，表示x_l的二阶导数，表示y_l的一阶导数，表示y_l的二阶导数，x_v表示无人机X方向位置坐标，y_v表示无人机Y方向位置坐标。