含单面约束的多体飞行器系统动力学建模与内蕴控制

Multi-body aircraft system with unilateral constraint has underactuated and nonlinear properties, which make some problems like complexity of model,difficulties of solving the unilateral constraint, difficulties of designing and analysing the controller.This project uses geometric intrinsic information to build hybrid geometric dynamic model. The intrinsic controller is built on the configuration manifold with intrinsic information directly. Besides, multi-geodesics feedback is adopted to decrease the damage caused by underactuated property. Configuration reconstruction method on a Lie group and fuzzy logical anti-windup framework is provided.This project connects with development programs of UAVs' applications, and provides novel design and analysis methods in dynamic analysis and controller design and application of a class of the multi-body aircraft system with unilateral constraint.Then a theoretical foundation and research basement for the application of UAVs rapid transportation with a slung load is provided.

含单面约束的多体飞行器系统是一个欠驱动强非线性系统，存在建模复杂、单面约束求解困难、控制器分析设计困难等问题。本项目从系统的几何内蕴信息入手，建立系统的混合动态几何描述，并在此基础上利用系统的内蕴信息在位形流形上直接设计内蕴控制器，同时利用多测地线反馈减小欠驱动特性对系统过渡过程的影响。并提出Lie群上的位形重构方法和流形上的模糊逻辑抗饱和框架。本项目紧密结合无人飞行器的应用发展规划，针对含单面约束的多体飞行器系统的建模与控制问题，为一类含单面约束的飞行器系统的动力学特性分析与研究、控制器设计与应用提供了新的设计与分析方法，进而为飞行器快速运输悬挂载荷的工程应用提供了理论依据和研究基础。

所谓的单面约束，是指只能提供单向约束力的约束，本文特指绳索类约束。含单面约束的多体飞行器系统是指利用绳索将飞行器系统和其他刚体系统联接，来完成牵引、运输等任务的无人机多刚体系统。单面约束的多体飞行器系统在军事领域，如战区排雷、侦察、空中运输、近地探测，以及森林灭火等方面，均有广阔的应用前景。.针对传统方法对含单面约束的多自由度飞行器系统建模复杂、单约束求解困难、控制器设计分析困难等问题，从微分几何的角度建立含单面约束的多体飞行器系统的混合动力学模型。并在此基础上利用系统的几何内蕴信息，基于测地线反馈，在其位形流形上直接设计几何内蕴控制器，如几何PD控制器、几何自适应鲁棒滑模控制器等。针对载机姿态位形获取困难使得几何反馈难以实现的问题，利用SO(3)上的显式互补滤波器（ECF）、自适应显式互补滤波器（AECF），实现载机姿态位形的精确重构。针对包括外界干扰在内的未建模误差对多体飞行器系统的影响，设计模糊逻辑系统在线自适应估计多体飞行器系统的未建模误差，以增强系统的抗干扰及实际应用能力。为实现多体飞行器系统控制要求姿态闭环系统误差收敛速度快、稳态精度高的特点，在流形SO(3)上设计固定时间收敛控制器。考虑无人机姿态机动时的能量消耗，将模型预测静态规划（MPSP）算法应用到流形SO(3)上，得到满足姿态终端约束的最优控制律，且控制律求解过程简单，计算量小。.本项目紧密结合无人飞行器的应用发展规划，针对含单面约束的多体飞行器系统的建模与控制问题，为一类含单面约束的飞行器系统的动力学特性分析与研究、控制器设计与应用提供了新的设计与分析方法，进而为飞行器快速运输悬挂载荷的工程应用提供了理论依据和研究基础。所采用的几何建模与控制方法也可被进一步拓展应用到其它机械系统的几何描述与控制中，具有广阔的应用前景。