一种空中快速偏航抓捕器的位姿滑模控制方法与流程

本发明涉及目标自主智能抓捕领域，尤其涉及一种空中快速偏航抓捕器的位姿滑模控制方法，基于系绳连接的利用双涵道风扇和丝杆/滑块机构控制的智能抓捕系统的位置和姿态控制方法。

背景技术：

随着多旋翼无人机技术的快速发展，多旋翼无人机已经在许多方面得到了应用，其中包括灾害救援、警用和军用高空侦察、农药植保、快递投放以及货物运输等等。其中利用无人机对目标进行捕获、运输是一个火热的研究方向，目前在这个方面的进展包括无人吊挂系统和在无人机上加装智能抓捕末端。

无人机吊挂系统中，传统的末端抓捕器为一个被动手爪，没有自主能力。在重力的作用下，其在目标捕获过程中的位置控制完全依赖于无人机的位置控制，且在对慢速运动目标无抓捕能力。而无人机的位置控制存在一定误差，因此，在目标捕获过程中，多需要依赖人工辅助完成，增加了任务成本和任务过程中的危险性。

而最常用的在无人机上加装智能抓捕末端的方式是在无人机上安装含有收缩关节的抓捕手爪和可以在一定范围内进行伸缩的机械臂。例如，首尔大学的kimsj团队研究的可折叠伸缩的自锁型折纸机械臂，安装在无人机上之后可以在一定程度上实现远距离作业，但是折纸机械臂的自由度受限，只能沿竖直方向伸缩，因此对于无人机的位置控制精度要求较高，而且相较于绳索，折纸机械臂的作业距离仍然较短。

针对上述情况，发明人先前设计了一种基于系绳连接的具有一定自主机动能力的智能抓捕器，详见专利：《一种基于系绳连接的智能空中抓捕器》，针对该类型的基于系绳连接的欠驱动智能抓捕器，设计了位置和姿态的滑模控制方法。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：本发明的目的是提供抓捕器的位置和姿态的滑模控制方法，使抓捕器在双涵道风扇和丝杆/滑块机构的作用之下能够完成对目标物的追踪、逼近和抓取。在整个控制过程中，利用双涵道风扇完成抓捕机构的机动以及拐弯控制，而丝杆/滑块机构负责消除在抓捕过程俯仰和滚转通道产生的振荡现象，使系统整体保持稳定。

本发明的技术方案是：一种空中快速偏航抓捕器的位姿滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对抓捕器位置外环的滑模控制设计，包括以下子步骤：

子步骤一：条件限定：假设俯仰和滚装通道的姿态角与零的差值小于设定阈值，忽略姿态内环偏航角的延迟控制对位置环的影响，且定义输入控制器的位置信息不存在误差；

子步骤二：定义位置环的线性滑模面为x＝[xy]^t代表由相机得到的抓捕器与目标位置的偏差，包括轴x和y轴的偏差，表示通过滤波得到的速度信息，包括x轴和y轴的速度信息，a1表示抓捕器向目标位置的收敛指数；x轴方向为上端无人机平台的质心指向目标物的方向，y轴方向为与x轴方向处于同一水平面内且垂直于x轴方向；

子步骤三：对位置外环的线性滑模面求导可得：首先令得到滑模控制的等效控制量其中为滤波得到的速度信息，则完整的位置外环控制量为：其中k1表示切换参数，且

子步骤四：定义t＝[txtytz]^t为系绳张力，l表示绳长；

子步骤五：根据子步骤三，得到系绳抓捕器系统的位置动力学模型：其中，m为抓捕器质量，fx表示x轴方向的推力，fy表示y轴方向的推力；将子步骤四带入模型中得到期望的位置外环的推力；

子步骤六：通过力分配模型：

得到双涵道风扇的总推力fsum以及期望的内环偏航角姿态βe；

步骤二：对抓捕器姿态内环的非线性滑模控制设计，包括以下子步骤：

子步骤一：条件限定：假设偏航角β能够实时跟踪外环的需求，不考虑对内环控制造成的影响，同时忽略姿态角的误差，且忽略角速度向姿态角速度的转移矩阵随时间的变化；

子步骤二：定义姿态内环的非线性滑模面为s2＝a2arctan(b2σ)+gω，其中σ＝[γα(β-βe)]，γ为滚转角、α为俯仰角、β为偏航角，ω为抓捕器角速度、g为角速度ω向姿态角变化率的转移矩阵，满足a2,b2为非线性滑模的收敛指数，其中g的具体表达式为：

即得到姿态内环的非线性滑模面收敛指数a2,b2；

子步骤三：对姿态内环的非线性滑模面求导：令得到系统的等效控制量其中是通过姿态传感器反馈得到的，且角速度反馈信息存在±0.01°s^-1的误差。则完整的内环控制量

子步骤四：通过刚体姿态动力学方程，得到抓捕器的三轴期望力矩m：

其中i表示抓捕器的转动惯量，m＝[mxmymz]^t；

步骤三：根据上述步骤一和步骤二，得到

其中d为涵道风扇安装位置于质心的水平偏差，f1,f2为涵道风扇的推力，xc为丝杆滑块机构中滑块移动的偏移质心距离，完成对空中快速偏航抓捕器的位姿滑模控制。

发明效果

本发明的技术效果在于：无人机无需精确测量并悬停目标上空，简化无人机负载设计。

1)抓捕器具有较强的抗干扰能力，能够抵抗风、碰撞等外界干扰

2)可以对慢速运动物体进行自主捕获

3)无需人工辅助完成任务，降低人力成本，提高安全性

4)抓捕器能够完成偏航角的大角度追踪，提高了抓捕器的响应速率。

附图说明

图1是抓捕器的详细控制系统结构图，

图2是控制流程图。

具体实施方式

参见图1—图2，第一步设计抓捕器位置外环的滑模控制方法

位置环的具体假设如下：

1、在位置环的滑模控制方法设计过程中，假设俯仰和滚装通道的姿态角为0±5度，对系统的动力学影响不大，在位置环的滑模控制设计中忽略不计。

2、姿态内环的偏航角控制是实时的，忽略姿态内环偏航角的延迟控制对位置环的影响。

3、抓捕器位置是由安装在无人机上的相机得到，于滤波得到速度信息相比，误差可以忽略，因此认为输入控制器的位置信息不存在误差。

首先设计位置环的线性滑模面：

其中x＝[xy]^t代表由相机得到的抓捕器与目标位置的偏差，包括x轴和y轴的偏差，而表示通过滤波得到的速度信息，包括x轴和y轴的速度信息，a1表示抓捕器向目标位置的收敛指数，由姿态内环的执行能力确定(一般姿态内环的速度是位置外环速度的5-10倍)。

对位置外环的线性滑模面求导可得：

首先令得到滑模控制的等效控制量其中为滤波得到的速度信息，一般认为：即速度滤波信息存在10％的误差。

则完整的位置外环控制量为：其中k1表示切换参数，具体的设计如下：1、保证外环系统在速度参数存在误差的情况下稳定，即2、保证位置外环的输出不会饱和，假设输出的最大加速度则综上所述，可以得到

系统的位置动力学模型可以简化为如下形式：其中，m为抓捕器质量，t＝[txtytz]^t为系绳张力，在控制过程中认为tz＝-mg，其中g为重力加速度，因此系绳张力可以写出近似的表达式：

其中，l表示绳长。

将系绳张力带入可以得到期望的位置外环的推力，其中fx表示x轴方向的推力，fy表示y轴方向的推力。然后经过力分配模型：

得到双涵道风扇的总推力fsum以及期望的内环偏航角姿态βe。

第二步设计抓捕器姿态内环的非线性滑模控制方法

传统的线性滑模具有恒定的收敛指数，适合误差变化不大的情况，而姿态内环的偏航角具有大角度(-π≤θ≤π)机动，如果采用线性的滑模面不能得到合适的收敛速度，针对这种情况，设计了考虑大偏航角机动的姿态内环非线性滑模面：

姿态环的具体假设如下：

1、姿态内环的收敛速度远大于外环(5-10倍)，因此在内环控制的过程中，认为偏航角β能够实时跟踪外环的需求，不考虑对内环控制造成的影响。

2、姿态角、角速度信息是由姿态传感器(imu)反馈得到的，其中姿态角的误差小于角速度误差，因此忽略姿态角的误差，认为imu的反馈不存在姿态角误差。

3、角速度向姿态角速度的转移矩阵随时间变化很小，在控制器设计的过程中可以忽略不计。

首先设计姿态环的非线性滑模面：s2＝a2arctan(b2σ)+gω

其中σ＝[γα(β-βe)]，γ为滚转角、α为俯仰角、β为偏航角，这三个角度由传感器(imu)反馈得到，而βe由位置外环的控制得到，ω为抓捕器角速度、g为角速度ω向姿态角变化率的转移矩阵，满足而a2,b2为非线性滑模的收敛指数，其中g的具体表达式与设计方案如下：

即可得到姿态内环的非线性滑模面收敛指数a2,b2

对姿态内环的非线性滑模面求导：

令可以得到系统的等效控制量其中是通过姿态传感器反馈得到的，存在即角速度反馈信息存在±0.01°s^-1的误差。

则完整的内环控制量其中

k2表示切换参数，具体的设计如下：1、保证内环系统在角速度参数存在误差的情况下稳定，即2、保证姿态内环的输出不会饱和，假设输出的最大角加速度则其中表示在0≤σ≤π之间取值时的最大值。综上所述，可以得到：

由刚体姿态动力学方程可以得到抓捕器的三轴期望力矩m：

其中i表示抓捕器的转动惯量，其中m＝[mxmymz]^t，至此姿态内环控制器设计完毕。

第三步经由力分配模型求解具体控制量

经由位置外环滑模控制器得到了双涵道风扇的推力总和fsum，而姿态内环控制器得到了期望的三轴控制力矩mx,my,mz，由于抓捕器的固有特性，抓捕器在滚转通道渐进稳定，因此具体的执行器分配方式如下：

其中d为涵道风扇安装位置于质心的水平偏差，f1,f2为涵道风扇的推力，xc为丝杆滑块机构中滑块移动的偏移质心距离。