四旋翼无人机—吊挂载荷系统建模与控制综述

四旋翼无人机—吊挂载荷系统的建模与控制是近年的一个热门研究领域.系统是通过缆绳连接载荷与四旋翼无人机形成的欠驱动非线性系统.全状态系统的建模通常基于欧拉—拉格朗日方程.为便于设计控制器,往往对系统模型做等效变换与简化.针对不同的简化模型,使用比例—微分控制、反馈线性化、反步法等控制方法,可以实现无人机轨迹跟踪、载荷轨迹跟踪、无人机编队规划、避障等控制目标.如果系统模型存在未建模动态或未知参数,可以通过自适应控制,引入观测器等方法改进控制器.为增强鲁棒性,提升飞行安全性,可以基于最优控制理论设计控制器,并通过输入整形,添加饱和函数等方法进一步优化控制性能.在无人机路径规划等复杂的控制问题上,智能控制方法已初见成效.多无人机协同运输载荷是另一个新兴子研究课题.

基于视觉伺服的四旋翼吊挂抗摆控制方法

四旋翼吊挂飞行时载荷的摆动会显著影响无人机的操纵性和稳定性,无人机运动会引起负载振荡,严重威胁控制系统的安全。针对无人机从起飞阶段加速跟踪远距离时变期望轨迹,尤其是弧形轨迹的过渡过程中,吊挂载荷摆动频率较高的问题,提出了一种基于视觉伺服的三闭环轨迹跟踪和载荷抗摆控制方法,通过对期望姿态角指令进行修正,减小载荷摆动对无人机的影响。对不同吊挂载荷质量以及载荷质量突变的情况进行了分析,仿真和飞行实验结果表明,该抗摆控制策略不但可以极大地降低吊挂载荷的摆动频率,还能使无人机平稳跟踪期望飞行轨迹。

直升机-吊挂耦合系统平衡特性和稳定性分析

基于单质点吊挂假设,建立了直升机-吊挂耦合系统的非线性动力学模型.在该假设下,吊挂将引入额外的自由度和约束,使运动方程增加4阶,且为隐式的微分代数方程组.通过将惯性力中的广义加速度项与广义速度的二次项分离,可将运动方程转化为显式的微分方程组.针对无吊挂的直升机本体和直升机-吊挂耦合系统这两种模型,采用直接数值方法,计算了它们以不同速度做零侧滑定直平飞的配平状态,并结合飞行试验数据进行对比.进一步对两种模型进行了小扰动线化处理,分析其运动模态并进行对比.结果表明,单质点吊挂会给系统引入两个新的运动模态,使得吊挂两个自由度上的运动与直升机高度响应产生耦合,同时改变直升机本体各个模态的特性,会使部分模态响应品质变坏.

多直升机协调吊挂系统飞行力学建模与特性分析

对多直升机协调吊挂系统中每一架直升机与外吊挂载荷分别建立他们的飞行动力学模型,将弹性吊索视为弹簧阻尼系统,建立弹性吊索数学模型;然后通过弹性吊索动力学将多直升机与吊挂载荷的运动耦合到一起,建立了通用的多直升机协调吊挂系统仿真模型;最后,针对单、四直升机协调吊挂系统建立了仿真验证模型,对直升机协调吊挂系统的稳定性、配平特性进行了分析.仿真结果表明外挂载荷对直升机的稳定性和配平特性产生了较大影响,通过分析证明了仿真结果的合理性,同时证明本文提出的多直升机协调吊挂系统飞行动力学建模方法的可行性.

四直升机协调吊挂系统模型跟踪非线性控制

基于直升机控制输入逆解的方法,研究了多直升机吊挂系统的控制问题.多直升机协调吊挂系统在外载荷的影响下每一架直升机具有不同的稳定性和响应形式,根据直升机气动力模型和飞行动力学模型,提出基于直升机空气动力学逆的控制输入逆解非线性模型跟踪控制器设计方法.该控制方法的显著优势是能直接处理吊索力反馈,保证多直升机吊挂系统中每一架直升机具有相同的控制律并能有效抑制吊索力扰动,且使每一架直升机具有相同的稳定性和响应特点.仿真结果证明了四直升机的协调吊挂非线性控制方法的可行性和正确性.

基于LADRC的四旋翼吊挂系统抗强风扰控制

研究了四旋翼无人机在吊挂载荷飞行中遇到强风扰时的控制问题。首先建立了四旋翼无人机的吊挂模型和3种常见风组合形成的综合强风场模型。然后在MATLAB/Simulink环境下进行仿真实验:设计了线性自抗扰(LADRC)控制器,令带吊挂载荷的四旋翼无人机在强风扰下进行轨迹跟踪飞行,并与PID控制器性能进行对比。实验表明,在强风扰动下,LADRC控制的无人机在轨迹跟踪和抗摆能力方面具有显著优势。