基于LADRC的伸缩套臂式无人机空基回收对接控制方法技术

本发明专利技术公开了基于LADRC的伸缩套臂式无人机空基回收对接控制方法，具体为：首先，建立伸缩套臂非线性模型并对其进行仿射非线性处理；进而，综合考虑伸缩套臂受环境扰流及模型内不可测瞬变扰动的影响，设计扩张状态观测器，以准确重构系统内不可测集总扰动；然后，基于扩张状态观测器估计扰动，设计基于线性自抗扰技术的空基回收伸缩套臂高抗扰对接控制方法，以实现环境扰流下伸缩套臂精准对接控制。本发明专利技术构建了伸缩套臂三通道仿射非线性模型，并基于该模型设计了基于线性自抗扰技术的对接控制器，实现了伸缩套臂在扰流作用下的精准运动控制，提高了无人机空基回收效率。同时，还为低成本无人机远程作战、机动突防、快速部署等提供技术支撑。技术支撑。技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
基于LADRC的伸缩套臂式无人机空基回收对接控制方法


[0001]本专利技术涉及基于LADRC的伸缩套臂式无人机空基回收对接控制方法，属于无人机回收


技术介绍

[0002]近年来，小型固定翼无人机凭借其体积小、速度快的特点得到各国军界的广泛关注，并被航空发达国家用于侦察、监控、突防、打击、集群协同火力打击等军事领域。但由于自身设计和作战使命限制，大多数小型固定翼无人机不具备远程作战能力，无法执行远程侦查、机动突防和敌后攻击等任务。即便采用大型运输机对其进行远程空基投放部署，由于远距离危险任务区域无可靠的陆基/舰基着陆平台，其在执行完任务后仍然面临无法有效回收的窘境。这不仅大大降低了其使用寿命，而且显著增加了作战成本。因此，在无可靠陆基/舰基回收平台情况下，如何采用大型空基回收平台飞机(以下称为母机)对小型固定翼无人机在空中进行快速、有效地回收，不仅可以实现无人机的重复使用、显著降低作战成本，而且还能为低成本无人机快速部署、机动突防、协同侦查和集群攻击等新型作战技术的发展提供技术支撑，具有重要的现实意义和可观的军事效能。
[0003]目前以美军“小精灵”项目为代表的空基回收方案主要有两种：拖曳缆绳
‑
浮标对接式回收、机械臂抓取式回收。其中，拖曳缆绳
‑
浮标对接式回收通过拖曳于母机的可收放缆绳
‑
浮标对接锁定无人机，并由缆绳将无人机卷收回母机机舱。该回收方式采用空中柔性对接方式，虽有效提高对接飞行安全，降低了对接事故率和无人机损伤。但由于柔性易扰缆绳
‑
浮标系统空中稳定性较差，使得对接过程较长，回收效率偏低。机械臂抓取式回收则是借助安装于母机的机械臂直接对稳定于期望位置的无人机进行硬式抓取对接，继而将其移动回收至母机机舱。此种回收方式虽避免了柔性易扰缆绳浮标系统空中稳定性差的问题，进一步提高了空基回收效率，但由于机械臂结构与尺寸限制，使得对接点距回收平台较近，对接风险稍高。因此，为使空基回收操作兼备高效性及安全性，需要提出一种新的无人机空基回收对接控制方法，在保障回收效率的同时使回收点远离母机平台，进一步降低回收风险。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是：提供基于LADRC的伸缩套臂式无人机空基回收对接控制方法，建立伸缩套臂回收装置仿射非线性模型，并基于此模型采用线性自抗扰技术(LADRC)设计了高抗扰对接控制方法，以实现空基回收环境扰流下伸缩套臂对接运动的精准控制，提高无人机空基回收的可靠性及回收效率。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006]基于LADRC的伸缩套臂式无人机空基回收对接控制方法，所述控制方法基于伸缩套臂式无人机空基回收装置实现，所述装置包括设置于空基回收平台飞机机舱舱尾的固定平台，所述固定平台下端连接有转动底座，所述转动底座通过可控俯仰关节与套臂连接，所
述套臂内部中空，且套装有伸缩臂，所述伸缩臂长度小于所述套臂长度，所述伸缩臂伸出末尾设有机械手；所述控制方法包括如下步骤：
[0007]步骤1，根据伸缩套臂式无人机空基回收装置结构及运动自由度，建立偏航、俯仰以及伸缩关节坐标系；
[0008]步骤2，根据关节运动效果不同，将伸缩套臂动力学模型分为偏航关节动力学方程、俯仰关节动力学方程和伸缩关节动力学方程，采用转动惯量质量投影法构建偏航关节动力学方程，采用拉格朗日方程法构建俯仰及伸缩关节动力学方程；
[0009]步骤3，将偏航、俯仰及伸缩关节动力学方程构成伸缩套臂三通道动力学模型，在考虑环境扰流的情况下对三通道动力学模型进行仿射非线性化处理，得到伸缩套臂三通道仿射非线性模型；
[0010]步骤4，针对步骤3伸缩套臂三通道仿射非线性模型中不可测瞬变扰动与空基回收环境扰流构成的系统集总扰动，构建扩张状态观测器，以重构各通道集总扰动；
[0011]步骤5，结合步骤4中扩张状态观测器，基于线性自抗扰技术设计伸缩套臂无人机空基回收对接控制器，实现环境扰流下伸缩套臂无人机空基回收对接控制。
[0012]作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤1中，偏航关节坐标系为O0‑
X0Y0Z0，其坐标原点O0与所述转动底座中心重合，Z轴方向与所述转动底座转轴方向重合，X轴与所述空基回收平台飞机航迹坐标系X轴平行，Y轴与所述空基回收平台飞机航迹坐标系Y轴平行，偏航关节坐标系满足右手法则；
[0013]俯仰关节坐标系为O1‑
X1Y1Z1，其坐标原点O1与所述可控俯仰关节中心重合，Z轴方向为所述可控俯仰关节转轴方向，X轴方向指向所述伸缩臂伸缩方向，Y轴方向依据右手法则确定；
[0014]伸缩关节坐标系为O2‑
X2Y2Z2，其坐标原点O2位于所述套臂末端中心处，其各轴方向与所述俯仰关节坐标系对应的各轴方向平行，且指向相同。
[0015]作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤2中，采用转动惯量质量投影法构建偏航关节动力学方程，偏航关节动力学方程具体如下：
[0016][0017]式中，m1、m2、m3、m4分别为转动底座、套臂、伸缩臂和机械手质量；R1、R2、R3分别为转动底座、套臂和伸缩臂截面半径；ξ为套臂与X0Z0平面夹角；ω1为伸缩套臂偏航角速度；δ为套臂与X0Y0平面夹角；l2为套臂长度；l3为伸缩臂长度；Δl3为伸缩臂伸出套臂外长度；τ1为偏航关节驱动力矩；
[0018]所述步骤2中，俯仰及伸缩关节动力学方程按照多关节机械臂的建模方法，在不求取系统内相互作用力的情况下，借助拉格朗日方程获取，俯仰及伸缩关节动力学方程具体如下：
[0019][0020][0021]式中，ω2为伸缩套臂俯仰角速度；χ为机械手和伸缩臂组合刚体的质心位置，τ2为俯仰关节驱动力矩；F3为伸缩关节驱动力；g为重力加速度；v3为伸缩臂滑动速度；K3＝(m3+m4)。
[0022]作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤3中，在考虑空基回收环境扰流的情况下采用等效数学变换将伸缩套臂三通道动力学模型改写为仿射非线性形式，得到伸缩套臂仿射非线性模型，伸缩套臂仿射非线性模型具体形式如下：
[0023][0024]式中，X1＝[ξ δ Δl3]T
、X2＝[ω
1 ω
2 v3]T
均为伸缩套臂系统状态；B＝diag(b1,b2,b3)、U＝[τ
1 τ
2 F3]T
分别为伸缩套臂系统输入矩阵及控制输入；F＝[0 f
2 f3]T
为模型内不可测瞬变扰动；W＝[w
1 w
2 w3]T
为空基回收环境扰流，w1＝0.25ρC
d
R2V2(l2+Δl3)2sin2δsinξ，w2＝0.5ρC
d
R2V2(l2+Δl3)2cosξsin3δ，w3＝0.5ρΔl3C
d
R3V2cosξsin2δ，其中，ρ、C
d
、V分别为空气密度、阻力系数及空基回本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于LADRC的伸缩套臂式无人机空基回收对接控制方法，所述控制方法基于伸缩套臂式无人机空基回收装置实现，所述装置包括设置于空基回收平台飞机机舱舱尾的固定平台，所述固定平台下端连接有转动底座，所述转动底座通过可控俯仰关节与套臂连接，所述套臂内部中空，且套装有伸缩臂，所述伸缩臂长度小于所述套臂长度，所述伸缩臂伸出末尾设有机械手；其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：步骤1，根据伸缩套臂式无人机空基回收装置结构及运动自由度，建立偏航、俯仰以及伸缩关节坐标系；步骤2，根据关节运动效果不同，将伸缩套臂动力学模型分为偏航关节动力学方程、俯仰关节动力学方程和伸缩关节动力学方程，采用转动惯量质量投影法构建偏航关节动力学方程，采用拉格朗日方程法构建俯仰及伸缩关节动力学方程；步骤3，将偏航、俯仰及伸缩关节动力学方程构成伸缩套臂三通道动力学模型，在考虑环境扰流的情况下对三通道动力学模型进行仿射非线性化处理，得到伸缩套臂三通道仿射非线性模型；步骤4，针对步骤3伸缩套臂三通道仿射非线性模型中不可测瞬变扰动与空基回收环境扰流构成的系统集总扰动，构建扩张状态观测器，以重构各通道集总扰动；步骤5，结合步骤4中扩张状态观测器，基于线性自抗扰技术设计伸缩套臂无人机空基回收对接控制器，实现环境扰流下伸缩套臂无人机空基回收对接控制。2.根据权利要求1所述的基于LADRC的伸缩套臂式无人机空基回收对接控制方法，其特征在于，所述步骤1中，偏航关节坐标系为O0‑
X0Y0Z0，其坐标原点O0与所述转动底座中心重合，Z轴方向与所述转动底座转轴方向重合，X轴与所述空基回收平台飞机航迹坐标系X轴平行，Y轴与所述空基回收平台飞机航迹坐标系Y轴平行，偏航关节坐标系满足右手法则；俯仰关节坐标系为O1‑
X1Y1Z1，其坐标原点O1与所述可控俯仰关节中心重合，Z轴方向为所述可控俯仰关节转轴方向，X轴方向指向所述伸缩臂伸缩方向，Y轴方向依据右手法则确定；伸缩关节坐标系为O2‑
X2Y2Z2，其坐标原点O2位于所述套臂末端中心处，其各轴方向与所述俯仰关节坐标系对应的各轴方向平行，且指向相同。3.根据权利要求2所述的基于LADRC的伸缩套臂式无人机空基回收对接控制方法，其特征在于，所述步骤2中，采用转动惯量质量投影法构建偏航关节动力学方程，偏航关节动力学方程具体如下：式中，m1、m2、m3、m4分别为转动底座、套臂、伸缩臂和机械手质量；R1、R2、R3分别为转动底座、套臂和伸缩臂截面半径；ξ为套臂与X0Z0平面夹角；ω1为伸缩套臂偏航角速度；δ为套臂
与X0Y0平面夹角；l2为套臂长度；l3为伸缩臂长度；Δl3为伸缩臂伸出套臂外长度；τ1为偏航关节驱动力矩；所述步骤2中，俯仰及伸缩关节动力学方程按照多关节机械臂的建模方法，在不求取系统内相互作用力的情况下，借助拉格朗日方程获取，俯仰及伸缩关节动力学方程具体如下：下，借助拉格朗日方程获取，俯仰及伸缩关节动力学方程具体如下：式中，ω2为伸缩套臂俯仰角速度；χ为机械手和伸缩臂组合刚体的质心位置，τ2为俯仰关节驱动力矩；F3为伸缩关节驱动力；g为重力加速度；v3为伸缩臂滑动速度；K3＝(m3+m4)。4.根据权利要求3所述的基于LADRC的伸缩套臂式无人机空基回收对接控制方法，其特征在于，所述步骤3中，在考虑空基回收环境扰流的情况下采用等效数学变换将伸缩套臂三通道动力学模型改写为仿射非线性形式，得到伸缩套臂仿射非线性模型，伸缩套臂仿射非线性模型具体形式如下：式中，X1＝[ξ δ Δl3]
T
、X2＝[ω
1 ω
2 v3]
T
均为伸缩套臂系统状态；B＝diag(b1,b2,b3)、U＝[τ
1 τ
2 F3]
T
分别为伸缩套臂系...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏子康，徐忠楠，李春涛，李雪兵，余跃，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：