[发明专利]面向拉力优化和动态过程设计的双无人机吊运系统载荷重分配方法

说明书

一种面向拉力优化和动态过程设计的双无人机吊运系统载荷重分配方法，属于机电系统控制领域。该方法包括：首先通过构建拉力优化指标，从而确定系统的最终状态。其次，在载荷动态调整过程中，充分考虑任务约束、安全约束以及驱动器约束，保证整个系统能够平稳、快速地到达期望状态。实验结果表明，所提方案能够快速、高效完成载荷重分配任务。

技术领域

本发明属于非线性欠驱动机电系统自动控制的技术领域，可以动态调节双无人机吊运系统载荷分配。

背景技术

近年来，由于旋翼无人机在机动性、灵活性等方面的优势，它被广泛应用在物资运输、灾害监测评估以及人员搜救等任务中。而空中运送任务作为旋翼无人机的一项重要应用受到越来越多人的关注。本发明所讨论的空中运送方式就是无人机通过吊绳连接的方式完成货物运送。双无人机吊运系统能够有效克服单无人机吊运本身负载能力有限的缺陷，目前针对双无人机吊运系统的研究，在飞行器控制以及扰动抑制等方面已经取得一定成果，但目前的方法仍然无法应用在实际工程中。因为双无人机吊运系统实际应用过程中，受到能源消耗以及电机损耗等影响，无人机的载荷能力会产生变化，而目前的工作大多假设，在无人机执行任务过程中每架无人机的载荷能力不变。此时，原有的载荷分配方案就可能导致任务失败。

发明内容

本发明目的是解决无人机载荷能力下降可能引发的任务失败的问题，提供一种行之有效的载荷重分配方案，进而提高双无人机吊运系统的实际性能。

为了解决上述问题，本发明针对两架无人机携带货物的吊运系统，提出了一种新的载荷重分配方法，以改善双无人机飞行吊运系统的性能。该方法从能量优化角度出发，将拉力优化视为优化指标，进而获得系统最终状态。同时考虑整个系统的平坦输出特性，能够快速、平稳、高效完成动态轨迹调整。本方法通过硬件实验对所提载荷重分配方案进行验证，对开展双无人机飞行吊运系统的自动控制研究以及实际工程应用具有重要的意义。

本发明采用如下技术方案：

一种面向拉力优化和动态过程设计的双无人机吊运系统载荷重分配方法，其功能在于重新调整两架无人机载荷分配，即确定每架无人机承担的负载重量，而拉力的竖直方向分量与负载重力平衡，因而可以通过拉力之间的关系来表征系统的载荷分配；包括以下几个步骤：

第1、基于能量优化构造绳子拉力优化指标，求解期望的绳子拉力大小以及方向；

第2、根据给定的负载位置同时结合绳子拉力大小以及方向，可以计算得到期望的无人机位置，将上述量(无人机、负载位置以及绳子拉力大小方向)记为无人机吊运系统的状态。利用微分平坦特性建立系统从初始状态到达目标状态的动态过程轨迹优化函数；

第3、基于二分法计算可行飞行时间，求解载荷分配动态过程轨迹，即系统从初始状态到达目标状态的整个过程中状态量的动态变化过程；

第4、在动态过程轨迹的引导下，完成载荷重分配目标，也就是绳子拉力大小以及方向均满足期望要求。

在求解动态轨迹的过程中，动态轨迹同时需要满足三个基本约束：1)任务约束；2)安全约束；3)驱动器约束。

所述基本约束可量化表达为：

1)任务约束：负载以及无人机在给定飞行时间t_f内，从初始位置到达期望位置：

γ(0)＝p_0s,γ(t_f)＝p_0e

χ₁(0)＝p_1s,χ₁(t_f)＝p_1e

χ₂(0)＝p_2s,χ₂(t_f)＝p_2e