一种四旋翼无人机吊挂系统的抗摇摆控制方法及控制系统

专利主权项内容

1.一种四旋翼无人机吊挂系统的抗摇摆控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：S1：基于坐标变换关系和拉格朗日方程建立动力学模型；其中，S1包括：S101：基于坐标变换关系和拉格朗日方程构建四旋翼无人机吊挂系统的基础动力学模型；其中，S101包括：S101-1：定义惯性坐标系E : {o, x, y, z}、机体坐标系E : {o, x, y, z}和期望坐标系E : {o, x, y, z}，四旋翼无人机在惯性坐标系E中的位置为姿态角为/>四旋翼无人机的姿态用四元数表示为在机体坐标系E中，四旋翼无人机的角速度为姿态角Θ和机体角速度Ω之间的关系为：IIIIIBBBBBDDDDDIB其中，S101-2：定义缆绳与机体连接点在机体坐标系E中的位置为H＝[0 0 h]，吊挂负载在惯性坐标系E中的位置为其中，Q与Q的关系为：BTIlq其中，γ为摆角, β为xoz平面和摆角平面之间的夹角，l为缆绳的长度，IIIS101-3：构建四旋翼无人机吊挂系统的拉格朗日方程L，具体为：其中，η＝[x y z φ θ ψ γ]，为四旋翼无人机吊挂系统的七个自由度，为四旋翼无人机吊挂系统总的动能，m代表吊挂负载的质量，m代表无人机的质量，qqqTlq
为四旋翼无人机吊挂系统的旋转动能，其中，J＝diag(J, J, J)为对角惯性矩阵，E＝-(mz+mz)g，为四旋翼无人机吊挂系统总的势能，xyzmqqll由于总升力和控制信号u＝[τ τ τ]是非保守力，因此，拉格朗日方程L表示为：φθψT其中，代表非保守力，S101-4：推导得到四旋翼无人机吊挂系统的动力学方程，表示为：其中，τ表示θ自由度下的控制信号的力矩，表示/>自由度下的控制信号的力矩，/>表示/>自由度下的控制信号的力矩，F表示x自由度下的升力，F表示y自由度下的升力，F表示z自由度下的升力；θxyzS102：根据假定条件简化所述基础动力学模型，得到最终的动力学模型；其中，S102包括：S102-1：假设四旋翼无人机匀速飞行，即在实际任务中h＜＜l，因此h/l≈0，将四旋翼无人机吊挂系统的动力学方程简化为：其中，S102-2：若吊挂负载的摆角γ较小时，得到sinγ≈γ和cosγ≈1，将四旋翼无人机吊挂系统的动力学方程进一步简化为：计算得到摆角γ为：其中，A和x代表与初始状态管理的未知幅值和相角，00最终得到扰动的动力学方程为：其中，S2：在动力学模型的基础上，结合自适应频率估计器和谐波扩张状态观测器得到自适应谐波扩张状态观测器，并利用自适应谐波扩张状态观测器进行扰动估计，得到扰动估计值；其中，S2包括：S201：建立谐波扩张状态观测器的方程，并表示为：简化为：其中，代表谐波扩张状态观测器的状态，/>代表y的估计量，F＝[f f f f f f f]表示谐波扩张状态观测器的增益；ii0123456TS202：建立自适应频率估计器，并表示为：其中，是M的估计值，M＝[λ-θ λλ-θ λ]，/>001213参数θ的估计值为：i其中，κ>0是任意实数，是/>的第2i+1个量，得到干扰的频率为：
或/>S203：串联自适应频率估计器和谐波状态观测器，得到自适应谐波扩张状态观测器；S3：利用反步法构建姿态控制器，其中，利用所述扰动估计值补偿所述姿态控制器的反馈校正信号，得到姿态复合控制信号，通过所述姿态复合控制信号控制四旋翼无人机吊挂系统进行抗摇摆动作。