【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无人机吊挂载荷系统的位置自动控制，具体涉及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。
技术介绍
1、四旋翼也可以被运用于更加复杂的任务。例如，由于网上购物的快速增长，无人机运输被广泛应用于物流行业。已有对四旋翼无人机承载四根缆绳的情况进行了研究，仅仅将悬挂载荷对四旋翼无人机的影响简单地视为外界有界干扰，只能实现对无人机的控制。因此为了实现对负载的位置的有效控制，必须充分考虑包括负载和四旋翼无人机在内的整体的动力学模型。为了降低控制器设计的难度，首先想到的是对系统的负载的位置和四旋翼的姿态模型分别在原点线性化。这种处理对对于形状复杂的时变轨迹效果较差，为了解决这一难题需要对吊挂系统中四旋翼无人机的非线性姿态模型进行研究。四旋翼无人机的非线性模型通常由欧拉角和四旋翼质心的三维坐标联合描述。但是目前学界已经广泛认识到欧拉角表示存在着奇异点问题，为了解决上述的欧拉角奇异问题，几何控制被引入。几何控制直接使用旋转矩阵描述无人机的姿态。几何控制方法有效避免了欧拉角框架下的奇异点问题。目前几何控制在四旋翼无人机上的应用已经取得了不少成果，可以用来处理单个飞机的轨迹跟踪问题，相似方法可以用来处理四旋翼吊挂载荷系统并且有效地给出了“八”字型轨迹的仿真，但是现有的几何控制方法在应用层面依然存在着不足。首先必须考虑未知参数的影响，扭矩系数和升力系数作用在四旋翼无人机控制的最底层，即电机转速的控制。通过升力系数和扭矩系数，分别可以得到每个螺旋桨产生的力和扭矩，从而计算出四旋翼整体的升力和扭矩，这一过程被称为四旋翼无人机的控制分配
技术实现思路
1、本专利技术旨在解决现有技术的不足，提出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，解决存在未知参数和外界干扰的情况下的吊挂载荷的轨迹跟踪问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
3、一种四旋翼无人机吊挂载荷系统的鲁棒自适应控制方法，包括以下步骤：
4、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；
5、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。
6、优选的，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：
7、
8、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[0 0 1]t，s(·)是叉乘符号，j为转动惯量矩阵。
9、优选的，四旋翼最底层的控制输入为4个电机分别产生的升力大小f1-4，控制分配所述数学模型中的输入合力f和合力矩m，具体公式如下：
10、
11、式中，f是合力f的模，m＝[mx my mz]t，cm和ct是未知的扭矩系数和升力系数,令且合力矩表示为一个常数矩阵和一个f1-4的线性组合构成的矩阵的乘积形式，其中
12、优选的，步骤s2中，获得控制器参数的方法为：
13、s21：基于载荷的期望位置和实际位置，获得位置误差；基于所述位置误差，获得期望载荷速度；
14、s22：基于所述期望载荷速度以及吊挂载荷的实际速度，获得速度误差；基于所述速度误差，获得期望合力沿绳索方向的分量；
15、s23：基于所述期望合力沿绳索方向的分量，获得绳索方向向量的期望值，并结合绳索方向向量的实际值，获得绳索方向向量的误差以及控制误差的绳索期望角速度；
16、s24：基于所述绳索期望角速度以及绳索实际角速度，获得绳索角速度误差；基于所述绳索角速度误差，获得控制绳索角速度期望合力沿垂直绳索方向的分量；
17、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；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；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；
18、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；
19、s27：基于步骤s21-步骤s26中的控制参数，选取控制器参数。
20、优选的，选取所述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。
21、本专利技术还提供一种四旋翼无人机吊挂载荷系统的鲁棒自适应控制系统，所述鲁棒自适应控制系统应用所述鲁棒自适应控制方法，包括：控制器设计模块以及控制参数获取模块；
22、所述控制器设计模块，用于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；
23、所述控制参数获取模块，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。
24、优选的，所述控制器设计模块中的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：
25、
26、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[0 0 1]t，s(·)是叉乘符号，j为转动惯量矩阵。
27、优选的，所述控制参数获取模块包括期望载荷速度获取单元、期望合力分量获取单元、绳索期望角速度获取单元、控制绳索角速度期望合力分量获取单元、四旋翼期望角速度获取单元、参本文档来自技高网...
【技术保护点】
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：
2.根据权利要求1所述的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，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：
3.根据权利要求2所述的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，四旋翼最底层的控制输入为4个电机分别产生的升力大小F1-4，控制分配所述数学模型中的输入合力F和合力矩M，具体公式如下：
4.根据权利要求1所述的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，步骤S2中，获得控制器参数的方法为：
5.根据权利要求4所述的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，选取所述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。
6.一种四旋翼无人机吊挂载荷系统的鲁棒自适应控制系统，所述鲁棒自适应控制系统应用权利
7.根据权利要求6所述的四旋翼无人机吊挂载荷系统的鲁棒自适应控制系统，其特征在于，所述控制器设计模块中的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：
8.根据权利要求6所述的四旋翼无人机吊挂载荷系统的鲁棒自适应控制系统，其特征在于，所述控制参数获取模块包括期望载荷速度获取单元、期望合力分量获取单元、绳索期望角速度获取单元、控制绳索角速度期望合力分量获取单元、四旋翼期望角速度获取单元、参数更新规律获取单元以及参数选取单元；
...【技术特征摘要】
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：
2.根据权利要求1所述的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，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：
3.根据权利要求2所述的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，四旋翼最底层的控制输入为4个电机分别产生的升力大小f1-4，控制分配所述数学模型中的输入合力f和合力矩m，具体公式如下：
4.根据权利要求1所述的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，步骤s2中，获得控制器参数的方法为：
5.根据权利要求4所述的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，选取所述控制器参数的顺...
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