一种悬挂载荷无人机系统的局部避障与轨迹跟踪控制方法

背景技术：

1、相比地面车辆，无人机更容易克服各种障碍，并且能够在空中找到一条安全可飞行的路径，所以它非常适合执行载荷运输任务。无人机使用电缆进行载荷运输的优势在于，吊挂无人机系统不需要考虑载荷的形状，同时载荷既不会干扰四旋翼的姿态响应，也不会影响其重心位置的转移。有效载荷的摆动将通过缆绳传递给四旋翼无人机，使其容易受到外界干扰，从而影响吊挂无人机系统的稳定性。常用的四旋翼减摆控制方案通常有两种：主动控制和被动控制。主动控制常见的有最优控制和整形控制，它主要是提前分析目标出现的偏差的可能性，进而采取相应的保护性措施；被动控制是通过对系统进行监控，通过控制器控制与输入端的偏差来实现控制目标，常见的控制器包括反步法控制、pid控制和滑模控制等。

2、无人机悬挂载荷在执行飞行任务时，它应该具有实时自主避障能力，以避开环境中存在的障碍物。关于避障方法的研究成果大致可以分为两类：全局规划避障算法与局部规划避障算法。全局避障算法的基本思想是通过航路规划算法寻找一条从起始点出发，避开环境中的障碍物安全抵达目标位置的路径飞行，然后通过控制器追踪产生的路径，进而达到避障目的。这类方法需要具有全局障碍物信息，适用环境已知的任务。常见的方法主要包括有a*搜索算法粒子群算法、快速扩展随机树(rrt)算法等。局部避障算法的基本思想是对探测到的障碍物进行实时避障，不依赖于全局信息，只需要知道无人机传感器所探测到的实时障碍信息，多用于先验信息不足的障碍或者突发的障碍物。常见的局部避障算法有基于制导律的避障算法、基于速度障碍法、人工势场法(apf)等。

3、以上的避障方法中，局部避障对未知环境的适应能力较强，所以它适用于解决无人机在未知环境中的实时避障问题。无人机携带负载进行避障时若把避障距离直接定义为缆绳长度，虽然使无人机的飞行更加安全，但会造成空间的浪费。如果仅考虑无人机本身半径则具有较大的局限性，不能用于负载超出无人机本身的情况，在大多数情况下存在与障碍物碰撞的风险。鉴于此，我们提出了一种悬挂载荷无人机系统的局部避障与轨迹跟踪控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种悬挂载荷无人机系统的局部避障与轨迹跟踪控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述技术问题的解决，本发明的目的在于，提供了一种悬挂载荷无人机系统的局部避障与轨迹跟踪控制方法，主要包括局部避障模块和控制模块两个部分的设计；具体而言，局部避障模块中考虑到负载摆动可能导致的包络圆切换问题，利用r函数对吊挂无人机系统进行避障约束，进而对传统人工势场法进行改进，使无人机实现了更低保守度的避障；然后，控制模块中考虑到模型不确定性和外界干扰(风扰)，设计了鲁棒性和抗干扰性强的滑模控制器，并且设计前馈控制器，进一步抑制有效载荷振荡现象；同时，通过局部避障模块与控制模块相结合，实现了吊挂无人机系统的自主实时避障功能；具体包括如下步骤：

3、s1、构建吊挂无人机系统的整体动力学模型，其中包括吊挂无人机系统的位置动力学模型、姿态动力学模型以及有效载荷动力学模型；

4、s2、问题描述：描述四旋翼无人机的应用背景即其飞行环境，以及在其路径上可能遇到障碍物，并明确其飞行任务要求；

5、s3、设计吊挂无人机系统整体控制方案，包括局部避障方法与控制器的设计，具体为：

6、s3.1、设计局部避障模块，实现局部避障策略：首先对吊挂无人机系统外形进行避障约束，得到系统的最大包络圆半径rmax根据避障约束条件，对传统的人工势场法(apf)进行改进，进一步提高无人机携带有效载荷进行实时避障能力；

7、s3.2、设计控制模块，实现控制策略：包括位置控制器、姿态控制器及前馈控制器的设计，结合三种控制器使吊挂无人机实现精准跟踪轨迹的同时起到对负载摆角的抑制作用。

8、作为本技术方案的进一步改进，所述s1中，构建吊挂无人机系统的整体动力学方程如下：

9、

10、其中，q＝[x y z φ θ ψ α β]t是系统的广义坐标向量，m(q)为质量矩阵，为科里奥利矢量，g(q)为重力矢量，u＝[t τφ τφ τψ]t为系统的外部控制输入，是由控制输入u得到的矩阵，d＝[dx dy dz dφ dθ dψ 0 0]t为外部干扰向向量。

11、作为本技术方案的进一步改进，所述s2的问题描述中，环境描述(应用背景)包括：

12、在森林中四旋翼无人机通过电缆携带急救物品运送至受伤人员所在位置(假设目标位置已知)，完成救援任务。森林是拥有多个垂直障碍物(树干)的环境，并做出基本假设：森林环境中树木的树梢密集，四旋翼无人机无法直接飞越；无人机在树冠以下飞行更加安全，将树干模拟为圆柱体障碍物，无人机在某一恒定高度飞行。

13、作为本技术方案的进一步改进，所述s2的问题描述中，飞行任务要求包括：

14、(1)轨迹跟踪目标：吊挂无人机从起飞到保持预定高度飞行，在到达目标点之后保持悬停，最终将货物投放到指定位置；相对跟踪距离应满足：

15、

16、在这里，和分别在为x-y平面的无人机实际飞行路径和轨迹规划后的期望路径；

17、(2)局部避障目标：无人机在一定高度保持飞行，所以只对x-y平面的障碍物进行避障；保证无人机和悬挂负载都避开障碍物需要满足：

18、

19、其中，为悬挂负载的位置，ξoi＝(xoi yoi)和roi分别表示为第i个障碍物的中心坐标和半径；

20、(3)当外界环境中风扰d存在时，吊挂无人机系统能够在保持稳定性和安全性的前提下完成实时避障和轨迹跟踪任务。

21、作为本技术方案的进一步改进，所述s3.1中，避障的目的是绕开障碍物得到一条可飞行的安全路径。考虑对吊挂无人机进行避障约束，包括：

22、使用包络圆来有效简化吊挂无人机系统的外形描述：定义当负载的位置超出四旋翼无人机机身时取包络圆半径为r1；定义当负载位置没有超出四旋翼无人机机身时，取包络圆半径为r2；根据负载在惯性坐标系中的位置ξp，通过绳长和摆角的关系可得到：

23、

24、基于r函数的数学思想即可求得吊挂无人机系统的最大包络圆半径为：

25、

26、同时，考虑到无人机定位精度可能存在偏差，可以增加适当加入安全距离δdmin，使系统能够安全地避开垂直的障碍物。

27、作为本技术方案的进一步改进，所述s3.1中，改进的人工势场法(apf)具体包括：

28、通过r函数对吊挂无人机外形进行约束，从而实现保守度更低的避障检测，考虑到负载的实时摆动位置利用rmax对人工势场法的排斥力函数进行改进：

29、

30、

31、在这里，roi为第i个障碍物的半径长度，将原本的避障距离ρ0(ρ0＝l+roi+δdmin)改为随摆角变化的通过改进得到的合力fall作为虚拟的控制力可以进一步得到无人机的参考期望轨迹

32、作为本技术方案的进一步改进，所述s3.2中，位置控制器和姿态控制器均采用滑模控制器，表示如下：

33、位置控制率：

34、

35、

36、其中，cx～cz，k1～k3，kx～kz均为正实数；s为滑模面函数；f1～f3可以看作是负载对吊挂无人机的扰动部分；为减小抖振的影响，控制器中引入饱和函数sat(s)；

37、与位置控制器设计相似，吊挂无人机系统的姿态控制器设计为：

38、

39、式中cφ～cψ，k4～k6，kφ～kψ均为正实数；f4～f6与g1～g3均为已知函数。

40、作为本技术方案的进一步改进，所述s3.2中，前馈控制器的设计包括：

41、

42、其中，u1～u3分别为前馈控制器对x、y和z方向控制器的补偿信号；a1，a2是前馈控制器的控制参数，均为正实数。

43、与现有技术相比，本发明的有益效果：

44、1.本发明中，通过欧拉一拉格朗日方程建立了具有外部扰动的吊挂无人机系统的整体动力学模型，包含位置、姿态和有效载荷的综合动力学；

45、2.本发明中，吊挂无人机在进行避障时，考虑到吊挂负载摆角和位置变化而引起的包络圆半径切换问题，通过r函数对传统人工势场法(tapf)进行改进，消除了通常情况下将包络圆半径设为定值的局限性；吊挂无人机实现了保守度更低的避障，在保证安全的前提下尽量贴近障碍物并作绕飞运动，在节省了空间利用率同时提高了运输的时效性；

46、3.本发明中，考虑到模型不确定性和外界干扰的影响，采用鲁棒性和抗干扰性强的滑模控制器，并且针对可能出现负载震荡的问题设计了前馈控制器。同时通过将吊挂无人机系统的局部避障模块与控制模块相结合，从而实现了吊挂无人机的自主实时避障功能。