具有二级摆动特性的飞行吊运系统控制方法研究

Rotorcrafts have the ability of vertical takeoff and landing, and they can reach places which are infeasible for ground vehicles. Thus, realizing aerial transportation tasks by rotrocrafts presents important prospect. In actual transportation, the system has the special double-pendulum swing characteristic due to the coexistence of the rotation of the hook around the suspension point and the rotation of the load around the hook. In addition, the main body of the rotorcraft, which provides the driving force for the system, is underactuated, so the overall system presents a more complex "dual" underactuated characteristic. Thus, the study on aerial transportation systems has both theoretical value and practical significance. In order to realize the safe and autonomous delivery tasks by the aircraft, the control strategies of the aerial transportation system with double-pendulum swing effects are studied in this project, especially considering the swing state estimation, multiple state constraints, non-rotation center suspension, unknown air drag coefficients, bounded tracking control, etc. The following research contents are carried out within this project: swing state estimation based on onboard sensors information fusion, safe trajectory planning with various constraints, adaptive control of unknown suspension point deviation, and hierarchical prescribed performance tracking control to avoid chattering of the airframe. Finally, the theoretical methods proposed in this project will be validated on the experimental platform.

旋翼飞行器具备垂直起降的能力，可以抵达地面车辆难以运动的场所，因此，利用旋翼无人飞行器执行吊运任务具有重要的应用前景。在实际运送时，由于同时存在吊钩绕悬挂点的转动以及负载绕吊钩的转动，系统具有特殊的二级摆动特性。此外，为系统提供驱动力的旋翼飞行器本体也是欠驱动的，因而整体系统呈现出更为复杂的“双重”欠驱动特性。因此，对具有二级摆动特性的飞行吊运系统进行研究同时具备理论价值和实际意义。为确保飞行器安全、自主地完成运送任务，本项目对具有二级摆动特性的飞行吊运系统控制方法开展研究，特别考虑了摆动状态估计、多重状态约束、非旋转中心悬挂、未知空气阻力系数、有界跟踪控制等具体执行任务时遇到的需求和困难，针对性地开展以下研究：基于机载传感器信息融合的摆动状态估计、考虑多重约束的安全运送轨迹规划、悬挂点偏离量未知的自适应控制、避免机体抖振的保性能分层跟踪控制，并在实验平台上对本项目所提理论方法进行验证。

飞行吊运系统的基本控制目标是将货物顺利、安全地运送到目的地。传统的方法通常把负载和吊钩的摆动运动看作一个整体。而实际运送过程中，通常无法忽略吊钩的存在。由于吊钩对系统的影响，相比单摆系统，具有二级摆动特性的飞行吊运系统欠驱动程度进一步加大，非线性更强，其动态性能也更为复杂，实现飞行器定位与吊钩、负载两级摆动抑制的目标将更为困难。本项目针对具有二级摆动特性的飞行吊运系统，围绕系统建模、二级摆动抑制、消摆轨迹规划、飞行器精准定位、模型不确定性及未知扰动处理等方面开展研究，所取得的研究成果如下：1) 为实现具有二级摆特性的飞行吊运系统的精准控制，考虑飞行器的平动与转动，以及负载与吊钩的运动，利用拉格朗日建模方法，对飞行吊运系统建立了精确的动力学模型，在此基础上设计了非线性分层控制方法。2) 为抑制负载与吊钩的摆动，构造了含有摆角信息的消摆轨迹，并通过李雅普诺夫方法与芭芭拉引理完成系统稳定性分析。3) 为同时实现飞行器精准定位、负载与吊钩摆动快速抑制，对外环子系统能量进行整形，构造新的储能函数并加入与吊钩和负载相关的信息，加强飞行器平移运动与负载和吊钩运动之间的状态耦合关系，从而提升控制器的暂态性能。4) 为消除飞行器定位时未建模动态导致的稳态误差，设计了带有积分项的非线性控制器。此外，利用饱和函数，避免了执行器输入饱和。5) 为应对飞行过程中存在的各类未知扰动，设计了自适应神经网络控制器，利用自适应更新律在线更新自适应神经网络的权值，有效地提升了系统的鲁棒性。