申请/专利权人：北京航空航天大学

申请日：2023-11-10

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN117518800B

主分类号：G05B13/04

分类号：G05B13/04

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2024.02.27#实质审查的生效;2024.02.06#公开

摘要：本发明公开了四旋翼无人机吊挂载荷系统的鲁棒自适应控制方法及系统，包括以下步骤：S1：建立四旋翼吊挂载荷系统的数学模型，基于所述数学模型，获得控制器；S2：基于所述控制器，获得控制器参数，完成四旋翼无人机吊挂载荷系统的鲁棒自适应控制。本发明解决了四旋翼吊挂载荷系统在存在转动惯量，升力系数，扭矩系数参数不确定性以及和外界干扰外力和干扰力矩的情况下实现了载荷对时变轨迹的跟踪。

主权项：1.一种四旋翼无人机吊挂载荷系统的鲁棒自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立四旋翼吊挂载荷系统的数学模型，基于所述数学模型，获得控制器；步骤S1中，所述数学模型含有不确定参数和外界干扰，所述不确定参数为四旋翼的转动惯量以及螺旋桨的升力系数和扭矩系数，所述外界干扰为四旋翼受到的干扰力和力矩，以及吊挂载荷受到的干扰力，建立的数学模型公式为： 式中，pL为四旋翼质心的位置；vL为质心的速度，Ω为四旋翼的角速度，R为四旋翼姿态，mQ为四旋翼的质量，吊挂载荷视为质点，质量为mL，l为绳索长度，q为绳索方向，ω为绳索的角速度，F为电机带动螺旋桨转动产生的三维向量合力，M为合力矩，dQ和dM分别为四旋翼受到的干扰力和力矩，dL为吊挂受到的外力，pLd为吊挂载荷的需要跟踪的时变轨迹，g为重力加速度常数，e3为单位向量[001]T，S·是叉乘符号，J为转动惯量矩阵；S2：基于所述控制器，获得控制器参数，完成四旋翼无人机吊挂载荷系统的鲁棒自适应控制；步骤S2中，获得控制器参数的方法为：S21：基于载荷的期望位置pLd和实际位置pL，获得位置误差zL；基于所述位置误差，获得期望载荷速度vLd；定义吊挂载荷的位置跟踪误差为zL＝pL-pLd，中间变量吊挂载荷的期望速度为其中kL和hL是正数；S22：基于所述期望载荷速度以及吊挂载荷的实际速度vL，获得速度误差zv；基于所述速度误差，获得期望合力沿绳索方向的分量PqFd；定义吊挂载荷的速度跟踪误差即速度误差为zv＝vL-vLd，vLd的导数为合力F的期望值Fd的沿q的方向的分量为PqFd＝mQl||ω||2q+PqFq，其中Pq·是沿q的方向的投影算子，Pq·＝qqT，其中kv和hv是正数，S23：基于所述期望合力沿绳索方向的分量PqFd，获得绳索方向向量的期望值qd，并结合绳索方向向量的实际值q，获得绳索方向向量的误差zq以及控制误差的绳索期望角速度ωd；q的期望值其误差为zq＝q-qd， 最终得到 ，其中S·是叉乘符号，对于任意向量x和y有Sxy＝x×y；S24：基于所述绳索期望角速度ωd以及绳索实际角速度ω，获得绳索角速度误差zω；基于所述绳索角速度误差zω，获得控制绳索角速度期望合力Fd沿垂直绳索方向q的分量ΠqFd；首先其中： 之后得到 进而得到其中 定义绳索角速度跟踪误差zω＝Sqω-ωd最终得到期望合力Fd的垂直于q的分量： 其中，Πq·是沿着垂直于q方向的投影算子，S25：基于控制绳索角速度期望合力沿垂直绳索方向的分量以及所述期望合力沿绳索方向的分量，获得期望合力Fd的最终表达式Fd＝PqFd+ΠqFd；基于所述期望合力，获得机体轴期望方向向量；基于所述机体轴期望方向向量以及机体轴实际方向向量，获得机体轴方向向量误差zr；基于所述机体轴方向向量误差，获得机体轴方向向量误差的四旋翼期望角速度Ωd；获得期望合力最终表达式之后得到R的第三列r3即z轴的方向的期望值其导数为其中的导数用向后差分得到，对应的误差变量为zr＝r3-r3d；从而得到四旋翼角速度的期望值Ωd： S26：基于所述四旋翼期望角速度以及四旋翼实际角速度，获得四旋翼角速度误差；基于所述四旋翼角速度误差，获得四旋翼角速度误差的合力矩；基于所述四旋翼角误差的合力矩，获得位置参数转动惯量和升力系数以及扭矩系数的参数更新规律；定义角速度误差zΩ＝Ω-Ωd，因此M1设计为其中： 其中diag·定义为：对任意向量X＝[x1,x2,x3]T满足的算子；最终得到其中向量是对转动惯量矩阵的估计值，是对c的估计值，参数更新律为： S27：基于步骤S21-步骤S26中的控制参数，选取控制器参数；选取控制器参数的顺序依次为姿态控制参数、位置控制参数以及绳索控制参数；设计的控制器中含有控制参数kL，kv，kq，kr，kΩ，hL，hv，hq，hr，hΩ，均为正数；其中kr，kΩ，hr，hΩ是姿态控制参数，kL，kv，hL，hv为位置控制参数，kq，hq为绳索控制参数；参数选取的顺序也是先姿态控制参数，其次位置控制参数，最终绳索控制参数。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 北京航空航天大学 四旋翼无人机吊挂载荷系统的鲁棒自适应控制方法及系统

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