[发明专利]四旋翼无人机吊挂运输系统的自适应控制方法

摘要

本发明涉及四旋翼无人机吊挂运输系统的位置精确控制和负载摆动的快速抑制，为提出针对具有未知对象参数(负载质量，空气阻尼系数)的四旋翼无人机吊挂运输系统，设计一种非线性控制器，同时设计一种参数自适应律，对未知参数进行在线估计，可以弥补系统的参数不确定性。本发明采用的技术方案是，四旋翼无人机吊挂运输系统的非线性控制方法，步骤如下：1)建立四旋翼无人机吊挂运输系统的动力学模型：2)设计非线性控制器与参数自适应律。本发明主要应用于四旋翼无人机吊挂运输系统的的控制。

主权项

1.一种四旋翼无人机吊挂运输系统的自适应控制方法，其特征是，步骤如下：1)建立四旋翼无人机吊挂运输系统的动力学模型：采用四旋翼无人机吊挂运输系统二维平面模型的动力学模型，表达式为下式：式(1)中各变量定义如下：表示系统的状态向量，其中，y(t)是无人机Y方向位移，z(t)是无人机Z方向位移，θ(t)是吊挂负载与机体竖直方向的夹角，分别表示系统的惯性矩阵，向心力矩阵，重力向量，螺旋桨升力向量及空气阻力向量，J表示四旋翼无人机的转动惯量，τ(t)表示四旋翼受到的力矩，此外，在式(1)中，的表达式为：的表达式为：的表达式为：的表达式为：的表达式为：式(2)‑式(6)中，mq，mp分别是四旋翼无人机和吊挂负载的质量，1是吊绳长度，g是重力加速度，uy(t),uz(t)分别是四旋翼无人机Y，Z方向所受的升力作用，f(t)是四旋翼无人机四个螺旋桨产生的总升力，dy,dz,cθ分别是四旋翼无人机吊挂系统在X方向，Y方向和Z方向所受空气阻尼作用的阻尼系数，均为未知量，将式(2)‑式(6)代入式(1)中，得到系统动力学模型的展开式如下：能够证明系统的动力学模型具有如下性质：惯性矩阵是对称的正定矩阵，且对任意的向量存在两个正数λ_m和λ_M，使得下式成立：负载小球质量的上下界已知，如下式所示：2)设计非线性控制器与参数自适应律：本发明的目标用下述数学语言描述：式(10)中，yd,zd∈R表示无人机Y，Z方向的期望位置，为方便控制器的设计，定义误差信号如下：ey(t)＝y(t)‑yd ez(t)＝z(t)‑zd      (11)其中，e_y(t),e_z(t)分别是四旋翼无人机Y，Z方向的与期望位移间的误差信号，是四旋翼无人机吊挂系统的误差向量，包含无人机Y，Z方向的位移误差及负载摆角的误差信号。考虑四旋翼无人机吊挂运输系统在具有不确定对象参数的条件下，包括负载质量mp未知、空气阻力系数dy,dz,cθ未知，设计一种参数自适应律，在线估计未知对象参数，然后提出一种基于能量的自适应耦合非线性控制方法；四旋翼无人机吊挂运输系统的机械能定义为：对式(13)求一阶时间导数为：式(14)中的一些参量定义如下：根据系统能量的无源性特性，设计的控制输入uy(t),uz(t)如下：式(16)中，k_py,k_dy∈R⁺分别为Y方向位移的比例项和微分项的控制增益，k_dθ∈R⁺是负载摆角的微分项控制增益，k_pz,k_dz∈R⁺分别为Z方向位移的比例项和微分项的控制增益，分别是的在线估计值，其定义如下：将控制器(16)代入式(14)中，可得：其中，分别是的在线估计误差，定义如下：的参数自适应律设计如下：其中，是正实数参数，式(20)中ρ(s)是一个微分饱和函数，其定义如下：