CN116424555B - 一种无人机吊挂消摆及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机吊挂消摆及控制方法，包括如下步骤：在吊挂系统中安装倾角传感器；对原始纵、横向倾角数据应用倾角修正公式；对原始纵、横向角速度数据应用角速度修正公式；对纵、横向角速度修正值应用摆动速度计算公式；对纵、横向摆动速度修正值应用加速度反馈量计算公式得到加速度反馈量；将加速度反馈量叠加到纵、横向的加速度控制目标；根据能量公式，合适的加速度反馈量可以实现吊挂物摆动能量随时间衰减的消摆目标。本发明的优点：通过建立倾角传感器修正方法，实现吊挂物摆动幅度和相位的精确感知；根据消摆设计计算方法和系统逻辑建立吊挂物摆动状态对无人机飞行的反馈控制方法，有效抑制吊挂物摆动。

Description

一种无人机吊挂消摆及控制方法

技术领域

本发明属于无人机吊挂运输技术领域，具体涉及一种无人机吊挂消摆及控制方法。

背景技术

无人机以其自身独特的优势在空中物流运输行业获得了极大的发展。其中，吊挂形式因其对不同货物外形有良好的适应性，成为了典型的无人机运输投送方式之一。作为一个理想的作业平台，无人机具有灵活的机动好、起降场地限制小、维护准备周期短等特点，可快速、高效地开展高强度、多频次的物资投放作业，在诸多领域得到了越来越广泛的应用。

无人机进行吊挂飞行时，在飞行状态变化（如加减速、转弯等）及空中气流突变等因素的影响下，吊挂物会受到激励，进而产生摆动。吊挂物的摆动不仅会显著增加吊挂物与建筑、地形障碍物甚至无人机重要部件碰撞的风险，更会大幅增加吊挂物过载，增加吊索断裂的风险。吊挂物质量在无人机飞行重量中可达到较高的占比，吊挂物摆动可能与无人机飞行姿态产生有害耦合，造成摆动幅度发散，使无人机进入复杂飞行状态，威胁飞行安全。因此，有效消除吊挂物摆动对于保证无人机大重量比吊挂任务的飞行安全和任务可靠性至关重要。

有人直升机在执飞大重量比吊挂任务时，会在机舱内配置观察员。观察员观察吊挂物摆动状态，并及时通报吊挂物摆动相位。飞行员操纵直升机做出相应的飞行机动，以抑制并逐渐消除吊挂物的摆动。对于无人直升机，没有观察员在飞机上观察货物摆动的幅度和相位，并且机上状态下传及飞行操作员在地面的操作指令上传存在延时，如果依赖机上状态感知由飞行操作员处置很难达到精准有效。

发明内容

本发明的目的在于：本发明提供了一种无人机吊挂消摆及控制方法，解决了无人机吊挂物摆动的问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种无人机吊挂消摆及控制方法，包括如下步骤：

步骤S01，在吊挂系统中安装倾角传感器；

步骤S02，对倾角传感器测得原始纵、横向倾角数据应用倾角修正公式；

步骤S03，对倾角传感器测得原始纵、横向角速度数据应用角速度修正公式；

步骤S04，对纵、横向角速度修正值应用摆动速度计算公式；

步骤S05，对纵、横向摆动速度修正值分别乘以增益系数得到无人机纵、横向加速度反馈量；

步骤S06，将无人机纵、横向加速度反馈量叠加到无人机纵、横向的加速度控制目标，进行无人机的加速度控制；

步骤S07，根据能量公式，实现吊挂物摆动能量随时间衰减，实现抑制吊挂物摆动的目的。

进一步的，步骤S01中，在吊索上安装倾角传感器，传感器在纵向、横向摆动的摆长分别为L _x '和L _y '，吊挂物在纵向、横向摆动的摆长分别为L _x和L _y，系统在纵向、横向的系统加速度为 _x系统和/> _y系统，/> _x系统和/> _y系统为系统在纵向、横向的系统加速度对时间的导数。

进一步的，步骤S02中，对纵、横向测量倾角修正：

；

；

其中：α _x真 、α _y真分别为倾角传感器在纵向、横向的真实倾角，α _x测 、α _y测分别为倾角传感器在纵向、横向测得的测量倾角，为重力加速度。

进一步的，步骤S03中，对纵、横向测量角速度修正：

；

；

其中：ω _x真 、ω _y真分别为倾角传感器在纵向、横向的真实角速度，ω _x测 、ω _y测分别为倾角传感器在纵向、横向的测量角速度。

进一步的，步骤S04中，得到吊挂物的摆动速度：

；

；

其中：v _x 、v _y分别为吊挂物在纵向、横向的摆动线速度。

进一步的，步骤S05中，得到加速度反馈量：

；

。

其中：和/>分别为无人机纵、横向加速度反馈量，K ₁、K ₂分别为纵、横向增益系数。

进一步的，步骤S06中，在原有飞管系统加速度控制目标中，分别增加基于纵、横向摆动加速度的反馈量，建立吊挂物消摆控制反馈逻辑。

进一步的，步骤S07中，根据能量公式：

；

其中：E为吊挂物摆动能量，t为时间，m为吊挂物质量，g为重力加速度，L为吊挂物摆动方向上的摆长；x为吊挂物偏离平衡位置的水平距离，v为吊挂物相对于无人机的运动速度，为无人机的加速度反馈量；该消摆控制反馈逻辑实现吊挂物摆动能量随时间衰减，实现抑制吊挂物摆动的目的。

本发明的有益效果：通过建立倾角传感器修正方法，实现吊挂物摆动幅度和相位的精确感知；根据消摆设计计算方法和系统逻辑建立吊挂物摆动状态对无人机飞行的反馈控制方法，有效抑制吊挂物摆动，将吊挂物摆动对无人机飞行的不良影响降到最低，增加无人机吊挂物的飞行安全性，并有助于实现精确投放的能力。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

附图说明

图1是吊挂物及传感器受力分析图。

图2是吊挂物与传感器安装位置示意图。

图3是传感器测量倾角与吊挂物真实倾角偏差示意图。

图4是纵向铰与横向铰布置示意图。

图5是无人机控制吊挂物消摆示意图。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

为实现对吊挂物摆动位置的精确感知，采用在吊挂系统中安装倾角传感器的方案。倾角传感器通过内置陀螺仪、加速度计，测量静态重力加速度，转换成倾角变化，从而可以测量传感器输出相对水平面的倾角和俯仰角度。这种测量方式的局限性在于只适用在静态或慢速变化的动态环境下测量，不适用快速变化的动态环境。本发明提供了一套修正方法，克服了这个问题，可通过倾角传感器的测量获得在快速变化环境下吊挂物的真实摆动位置。

参考图1所示，设吊挂点为O，吊挂点O与无人机固连。索长为L，传感器安装位置距吊挂点O为L'，传感器灵敏轴跟随吊索摆动。 _过载 '为传感器过载加速度，/> _过载为吊挂物过载加速度；/> _摆动 '为传感器摆动加速度，/> _摆动为吊挂物摆动加速度。对整个吊挂系统的运动分析建立在无人机运动非惯性坐标系内，整个系统存在运动加速度/> _系统。

吊挂物重量远大于吊索重量，吊索为拉直状态，故吊索上各处相对于平衡位置的摆动位移沿索长方向线性分布，吊索上各处相对于平衡位置的摆动速度和摆动加速度沿索长方向也是线性分布的。即：

（1）；

结合受力分析，可得到：

（2）；

倾角传感器实际是运用惯性原理的一种加速度传感器，其测量倾角的本质是将过载加速度在传感器灵敏轴上的分量，转换为过载加速度与传感器灵敏轴的夹角。当传感器安装在非吊挂点位置时（L'≠0），传感器灵敏轴方向与过载加速度方向（）的夹角并非吊挂物倾角。只有当传感器安装于吊挂点时（L'=0），传感器灵敏轴方向随摆动变化，传感器灵敏轴与过载加速度方向（）的夹角才是吊挂物倾角。

考虑到传感器安装在非吊挂点位置时，对倾角的测量会存在偏差。本发明提出了一种传感器倾角修正方法，安装在吊挂系统任意位置处的倾角传感器经过修正均可得到准确的倾角测量值。

将倾角传感器安装于挂钩（或挂架）处，安装示意图参考图2所示。摆动加速度、重力加速度、过载加速度、系统加速度及传感器测量倾角 _测与吊挂物真实倾角/> _真之间的关系参考图3所示。

由小角度假设及摆动加速度的线性关系（见式（1）），可得到非惯性参考系下的吊挂物真实倾角与传感器测得倾角的关系为：

（3）；

在实际吊挂系统中，吊挂物摆动是横向和纵向的合成运动。横向铰和纵向铰间有一定距离，吊挂物在纵、横向的摆长存在差异；系统加速度在纵、横向的分量不同，故需要按上述倾角修正公式，如式（3）所示，分别确定纵向和横向摆动的倾角修正值。

参考图4中的单向铰布置形式为例，在吊索上安装倾角传感器，传感器在纵向、横向摆动的摆长分别为L _x '和L _y '，吊挂物在纵向、横向摆动的摆长分别为L _x和L _y，系统在纵向、横向的系统加速度为 _x系统和/> _y系统；

对纵、横向测量倾角修正，按照式（3）对纵、横向倾角测量的修正如下：

（4）；

（5）；

其中：α _x真 、α _y真分别为倾角传感器在纵向、横向的真实倾角，α _x测 、α _y测分别为倾角传感器在纵向、横向测得的测量倾角，为重力加速度。

因为角度对时间微分得到角速度，微分算子是线性的，对角度的线性修正同样适用于角速度，对纵、横向测量角速度修正：

（6）；

（7）；

其中：ω _x真 、ω _y真分别为倾角传感器在纵向、横向的真实角速度，ω _x测 、ω _y测分别为倾角传感器在纵向、横向的测量角速度， _x系统和/> _y系统为系统在纵向、横向的系统加速度对时间的导数。

参考图5所示，对无人机施加一个加速度控制量，挂点跟随无人机产生加速度，吊挂物获得一个反向的相对加速度，将吊挂物摆动能量对时间求导，得到吊挂物摆动能量的时间变化率如下：

（8）；

其中：E为吊挂物摆动能量，t为时间，m为吊挂物质量，g为重力加速度，L为吊挂物摆动方向上的摆长；x为吊挂物偏离平衡位置的水平距离，v为吊挂物相对于无人机的运动速度，为无人机的加速度反馈量。

对倾角传感器测量的原始角速度数据加以修正，相应地可得到吊挂物的摆动速度：

（9）；

（10）；

其中：v _x 、v _y分别为吊挂物在纵向、横向的摆动线速度。

得到加速度反馈量：

（11）；

（12）；

其中：和/>分别为无人机纵、横向加速度反馈量，K ₁、K ₂分别为纵、横向增益系数。

在原有飞管系统加速度控制目标中，分别增加基于纵、横向摆动加速度的反馈量，建立吊挂物消摆控制反馈逻辑；

根据能量公式（8），该消摆控制反馈逻辑实现吊挂物摆动能量随时间衰减，实现抑制吊挂物摆动的目的。

实施例1：

一种无人机吊挂消摆及控制方法，包括如下步骤。

步骤S01，在吊挂系统中安装倾角传感器。

步骤S02，对倾角传感器测得原始纵、横向倾角数据应用倾角修正公式（4）、（5）。

步骤S03，对倾角传感器测得原始纵、横向角速度数据应用角速度修正公式（6）、（7）。

步骤S04，对纵、横向角速度修正值应用摆动速度计算公式（9）、（10）。

步骤S05，对纵、横向摆动速度修正值按照公式（11）、（12）分别乘以大于0的增益系数K1、K2得到无人机纵、横向加速度反馈量。

步骤S06，将无人机纵、横向加速度反馈量叠加到无人机纵、横向的加速度控制目标，进行无人机的加速度控制。

步骤S07，根据能量公式（8），实现吊挂物摆动能量随时间衰减，实现抑制吊挂物摆动的目的。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种无人机吊挂消摆及控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S01，在吊挂系统中安装倾角传感器；

步骤S02，对倾角传感器测得原始纵、横向倾角数据应用倾角修正公式；

步骤S03，对倾角传感器测得原始纵、横向角速度数据应用角速度修正公式；

步骤S04，对纵、横向角速度修正值应用摆动速度计算公式；

步骤S05，对纵、横向摆动速度修正值分别乘以增益系数得到无人机纵、横向加速度反馈量；

步骤S06，将无人机纵、横向加速度反馈量叠加到无人机纵、横向的加速度控制目标，进行无人机的加速度控制；

步骤S07，根据能量公式，实现吊挂物摆动能量随时间衰减，实现抑制吊挂物摆动的目的；

步骤S01中，在吊索上安装倾角传感器，传感器在纵向、横向摆动的摆长分别为L _x '和L _y '，吊挂物在纵向、横向摆动的摆长分别为L _x和L _y，系统在纵向、横向的系统加速度为 _x系统和/> _y系统，/> _x系统和/> _y系统为系统在纵向、横向的系统加速度对时间的导数；

步骤S02中，对纵、横向测量倾角修正：

；

；

其中：α _x真 、α _y真分别为倾角传感器在纵向、横向的真实倾角，α _x测 、α _y测分别为倾角传感器在纵向、横向测得的测量倾角，为重力加速度；

步骤S03中，对纵、横向测量角速度修正：

；

；

其中：ω _x真 、ω _y真分别为倾角传感器在纵向、横向的真实角速度，ω _x测 、ω _y测分别为倾角传感器在纵向、横向的测量角速度；

步骤S04中，得到吊挂物的摆动速度：

；

；

其中：v _x 、v _y分别为吊挂物在纵向、横向的摆动线速度；

步骤S06中，在原有飞管系统加速度控制目标中，分别增加基于纵、横向摆动速度的加速度控制反馈量，建立吊挂物消摆控制反馈逻辑；

步骤S07中，根据能量公式：

；

其中：E为吊挂物摆动能量，t为时间，m为吊挂物质量，g为重力加速度，L为吊挂物摆动方向上的摆长；x为吊挂物偏离平衡位置的水平距离，v为吊挂物相对于无人机的运动速度，为无人机的加速度反馈量；该消摆控制反馈逻辑实现吊挂物摆动能量随时间衰减，实现抑制吊挂物摆动的目的。

2.根据权利要求1所述的无人机吊挂消摆及控制方法，其特征在于：步骤S05中，得到加速度反馈量：

；

；

其中：和/>分别为无人机纵、横向加速度反馈量，K ₁、K ₂分别为纵、横向增益系数。