基于视觉伺服的四旋翼吊挂抗摆控制方法.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:录用日期:作者简介:马伟杰()男硕士研究生:.:./.基于视觉伺服的四旋翼吊挂抗摆控制方法马伟杰郭玉英(西南科技大学 四川 绵阳)摘要:四旋翼吊挂飞行时载荷的摆动会显著影响无人机的操纵性和稳定性无人机运动会引起负载振荡严重威胁控制系统的安全 针对无人机从起飞阶段加速跟踪远距离时变期望轨迹尤其是弧形轨迹的过渡过程中吊挂载荷摆动频率较高的问题提出了一种基于视觉伺服的三闭环轨迹跟踪和载荷抗摆控制方法通过对期望姿态角指令进行修正减小载荷摆动对无人机的影响 对不同吊挂载荷质量以及载荷质量突变的情况进行了分析仿真和飞行实验结果表明该抗摆控制策略不但可以极大地降低吊挂载荷的摆动频率还能使无人机平稳跟踪期望飞行轨迹关键词:四旋翼无人机吊挂载荷抗摆控制轨迹跟踪视觉伺服本文引用格式:马伟杰郭玉英.基于视觉伺服的四旋翼吊挂抗摆控制方法.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引言旋翼无人机吊挂飞行是运输载荷的一种重要方式因其受起降地形以及载荷物体形状的影响较小广泛应用于抗震救灾和医疗救援等领域 吊挂飞行时载荷的摆动会显著影响无人机的操纵性和稳定性这严重影响无人机的安全 所以如何降低吊挂负载摆动频率对于无人机平稳安全飞行十分重要为此许多学者开展了旋翼无人机吊挂抗摆飞行控制研究 文献采用动态扩展算法能较好地实现绳索大角度振荡时吊挂载荷的轨迹跟踪 霍鑫等基于欧拉 拉格朗日方法建立了四旋翼吊挂模型研究了基于 位置控制和输入整形法的双闭环控制策略 鲜斌等 提出了一种基于能量的控制方法能准确定位无人机的同时抑制载荷摆动 文献针对四旋翼无人机沿固定轨迹的载荷运输问题提出了一种非线性鲁棒控制方法 针对无人机吊挂系统文献采用自抗扰控制为四旋翼无人机设计了双闭环控制系统结构 文献建立了四旋翼吊挂模型提出了改进四旋翼位置控制器结构的载荷稳定方法 文献利用补偿函数观测器估计未知扰动以减小载荷的摆动虽然四旋翼无人机吊挂载荷飞行抗摆已取得了较多的研究成果但是仍存在一些亟待解决的实际问题:现有的研究主要以定点悬停、短距离吊挂飞行抗摆为目标而实际应用中当无人机吊挂载荷远距离任务飞行时允许无人机高效率运输的同时减小载荷摆动频率这方面的研究还比较少现有的抗摆控制方法是通过室内动捕系统获取载荷摆动信息来抑制载荷振荡而室外实际飞行中如何仅依靠机载设备获得有效的载荷状态信息并实现抗摆的目的却鲜有报道为此针对无人机从起飞阶段加速到跟踪远距离时变期望飞行轨迹这个过渡过程中载荷摆动最剧烈的问题设计了一种基于视觉伺服的无人机吊挂抗摆控制系统利用机载摄像头捕获载荷摆动信息来修正期望姿态指令实现快速抑制载荷摆动和无人机稳定跟踪期望飞行轨迹的目标并通过仿真验证不同质量载荷和质量突变情况下本文中所研究抗摆控制方法的有效性最后再进行了飞行实验 四旋翼吊挂系统动力学模型为了描述无人机位置和姿态定义 个坐标系即北东地坐标系()和机体坐标系()如图 所示为横滚轴为俯仰轴为偏航轴指向北方指向东方指向地心()是电机转速()是升力、和 分别是载荷与的相对位移在北东地坐标系 个轴上的投影 定义 为载荷摆动的外角 为载荷摆动的内角 表示载荷与 之间的夹角 建模前作如下假设:)四旋翼无人机机体刚性对称质量均匀)载荷被视为质点忽略空气阻力)忽略绳子质量且不可伸缩 根据牛顿欧拉方法建立四旋翼无人机在北 东 地坐标系下的动态特性方程 ()()()()()()()式()中:为无人机的质量、分别为无人机绕横滚轴、俯仰轴和偏航轴的转动惯量 为无人机臂长 基于欧拉拉格朗日方程建立吊挂系统动力学模型载荷在竖直方向距离机体质心的距离 与绳长 有如下关系 ()图 四旋翼无人机吊挂系统.根据牛顿第二定律绳索拉力为()()()()联立式()、式()和式()得 ()()()()马伟杰等:基于视觉伺服的四旋翼吊挂抗摆控制方法其中 因载荷通过绳子吊挂于无人机质心载荷摆动不影响无人机姿态变化所以式()中角运动方程不变 为了获得载荷运动学方程利用拉格朗日方法计算载荷动能()()()()载荷势能为 ()()于是得到拉格朗日方程 为 ()()()()联立式()、式()和式()可得 ()()()()()()()()()()令 ()它包含了无人机的位置、姿态和载荷的位置 个自由度即为四旋翼吊挂系统八自由度模型后续将用此模型在/上对抗摆控制方法进行仿真验证 飞行控制系统.无人机吊挂飞行抗摆控制系统无人机吊挂载荷抗摆的三闭环控制系统如图 所示图 无人机吊挂飞行抗摆控制系统.其中内环姿态控制为自抗扰姿态控制外环位置控制为自抗扰位置控制 无人机自主飞行过程中给定期望轨迹()()()以及偏航角 然后由位置环自抗扰控制器输出得到 个虚拟控制量、()()()()()()再由式()和式()反解得 ()()()/)()()()这样就得到了由外环位置控制器输出的期望姿态指令 为了减少载荷摆动对无人机飞行控制的影响通过机载摄像机获取载荷位置信息利用该信息修正无人机期望姿态角以减小载荷摆动对无人机系统的影响 针对吊挂载荷的三维球面摆动根据拉格朗日方程可得载荷球面摆动对无人机加速度的影响:()兵 器 装 备 工 程 学 报:/./()()其中、为载荷摆动对无人机加速度的影响 对于吊挂子系统引入误差、以俯仰角通道为例设李雅普诺夫函数()()对其求导可得()()()式()为负定时有()()其中为待调参数于是有 ()其中为中间变量 定义误差 ()当载荷作球面摆动时对式()求导并结合式()可得 ()()()()()设李雅普诺夫函数()()()对其求导可得()()()()()设()其中 为待调参数于是可得().()()()又由无人机加速度与姿态角的关系()于是解得无人机定点抑制载荷球面摆动所需的无人机期望俯仰角修正值()()同理可解得无人机期望横滚角修正值 ()()()此时得到的是无人机定点抑制载荷摆幅的期望姿态角修正值而不是无人机飞行过程中的期望姿态角修正值 将定点抑制载荷摆幅的期望姿态角修正值转化成无人机飞行过程中抑制载荷摆动频率的期望姿态角修正值结合式()和式()得到最终的期望姿态角、()()()()()其中 包括不确定性的总扰动()为权值调节无人机轨迹跟踪与抗摆控制性能.自抗扰控制器以横滚角通道为例设计自抗扰控制器控制框图如图 所示图 横滚角通道自抗扰控制框图.将前面得到的最终期望横滚角 输入到跟踪微分器 ()()式()中:为滤波因子 为速度因子()为最速综合函数 ()()/()/()()()/()()马伟杰等:基于视觉伺服的四旋翼吊挂抗摆控制方法 将总扰动 扩张成新状态 则扩张状态观测器为 ()()()式()中:是横滚角估计误差()是状态估计值是系统参数()、和 是待调参数定义误差 以及非线性状态误差反馈控制律 ()()()式()中:()为控制器参数()为非线性函数为横滚角通道自抗扰控制器的输出用于调节无人机电机转速 仿真与飞行实验下面分别通过仿真分析和飞行实验对所研究控制方法的有效性进行验证 四旋翼吊挂系统的仿真参数如表 所示表 四旋翼吊挂系统仿真参数 名称符号数值单位无人机质量吊挂载荷质量.重力加速度./横滚轴转动惯量.俯仰轴转动惯量.偏航轴转动惯量.机身半径.吊挂绳长 .期望偏航角设为 自抗扰控制器参数如表.仿真情形 假定无人机跟踪匀速行驶的货轮(或货车)并投放载荷于货轮(或货车)上 跟踪轨迹为()()初始状态 载荷质量.仿真步长.仿真时间 仿真结果如图 图 所示表 自抗扰控制器参数 参数.图 载荷摆角轨迹.图 载荷摆角速率.图 四旋翼无人机飞行轨迹.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 无人机轨迹跟踪误差.图 无人机在 轴方向的加速度.图 机载摄像头与吊挂系绳的夹角.从图 和图 可以看出经过姿态修正后载荷摆动频次由 减小到 摆动频率明显降低并且在 时载荷摆动速率减小到/载荷摆角收敛到 这表明该抗摆控制策略能有效地减小载荷摆动频率 由图 和图 的局部放大图可以看出载荷摆动使得无人机轨迹跟踪过程中产生抖振而经过期望姿态修正后无人机轨迹变得更加平滑飞行更加平稳这表明所设计的抗摆控制方法能有效降低载荷摆动对无人机飞行的影响 从图 所示的无人机加速度可以看出在经过抗摆控制后虽然最大加速度略微减小但在整个加速过程()的平均加速度是要大于抗摆控制前的这表明该方法不是通过牺牲无人机的运输效率从而实现抗摆的控制效果这也说明了该方法使得无人机在不受加速度限制的条件下可极大地降低载荷的摆动频率图 表示在抗摆控制作用下机载摄像头与吊挂系绳的夹角 随时间的变化规律 机载摄像头与吊挂系绳的最大夹角仅为一般摄像头的视场角范为 因此吊挂载荷始终没有超出视场角范围该仿真情形下的无人机的最大姿态角接近 由于姿态角在大多数应用场景下都不会超过 因此该仿真是一种较为极端的情形这说明该抗摆控制方法能够适用于绝大多数一般应用场景具有一定工程应用价值若由于未知原因载荷超出视场角范围导致数据丢失不满足控制条件此时可自适应关闭抗摆控制或者选用广角镜头配合畸变矫正算法来扩大应用范围.仿真情形 当无人机沿弧形轨迹飞行时抑制载荷摆动将变得更为复杂 设定无人机跟踪的轨迹为 ()无人机吊挂系统的初始状态 载荷质量为.仿真时间 通过图 的载荷摆角变化规律、图 摆角速率变化规律、图 载荷相平面轨迹、图 三维轨迹视图以及图、图 所示的无人机 个电机转速变化规律进行分析 从图 图 可以看出无人机沿弧形轨迹飞行时无抗摆作用时载荷摆动次数高达 次而经过抗摆控制后载荷只摆动了 次且在 时就停止了摆动这说明该抗摆控制方法能有效减小载荷摆动频率 此外根据牛顿定律可知吊挂载荷的摆角不会收敛到 而是呈球面摆动仿真结果表明本方法可使得载荷更快地收敛到球面摆动状态图 载荷摆角轨迹.马伟杰等:基于视觉伺服的四旋翼吊挂抗摆控制方法图 载荷摆角速率.图 载荷相对无人机的相平面位置轨迹.图 四旋翼无人机飞行轨迹.图 无人机电机转速(姿态修正前).()图 无人机电机转速(姿态修正后).()从图 无人机飞行轨迹三维视图可知在经过姿态修正后的轨迹跟踪误差更小 对比图 和图 的局部放大图可以看出经过姿态修正后在起飞阶段的 个电机转速变化更加平滑这使得无人机在任务飞行时系统更平稳 从图 可以看出当载荷作球面摆动后无人机继续利用球面摆动信息不断地调整期望姿态使得无人机跟踪类圆形轨迹的能力变得更强图 期望姿态修正.表 表示在摆角测量通道中分别加入 、.和的偏差模拟真实存在的测量误差结果表明当测量值偏大时最大摆动幅值和最大摆角速率减小稳态误差增大但其对于载荷摆动频率几乎没有影响这也表明了本文中这种针对频率的抗摆控制方法的控制效果受测量误差的影响很小 当实际过程中存在较大测量误差时可在降低载荷摆动频率之后自适应关闭抗摆控制或者提高物理安装结构的精度以减小测量误差表 测量误差对载荷摆动的影响 误差/()摆动次数最大摆动幅值/()最大摆角速率/()稳态误差/().兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.仿真情形 下面分析载荷质量突变以及吊挂不同质量载荷对抗摆控制效果的影响 根据 无人机在线评估软件设无人机承载载荷重量范围为.载荷原始质量为.突变量设定为.突变时刻设定在 无人机初始位置为定点飞向目标位置控制器参数保持不变仿真结果如图、图 和图 所示图 质量突变对载荷摆动的影响.图 质量突变对抗摆控制的影响.从图 可以看出在载荷质量发生突变的情况下该抗摆控制方法依然可以有效地减小载荷摆动频率从图 可以看出当载荷质量发生突变时对载荷摆动方向改变时(局部放大图)的影响最大载荷质量突增对于抗摆控制几乎没有影响而质量突减会增加载荷摆动的频率但结合图 和图 可以看出在质量突减.的情况下抗摆控制效果依然很好图 不同质量载荷的摆动情况.从图 可以看出载荷质量较小的情况下载荷摆动频率非常高但经过姿态修正后载荷摆动频率明显减小随着载荷质量增加载荷的摆动频率也随之减小当载荷质量为 时在抗摆控制作用下载荷只经过初始的一次摆动后就停止了振荡 这些结果说明对不同质量的载荷本文中所研究的抗摆控制方法均能实现抑制载荷摆动的目标.飞行实验如图 所示实验中无人机位置信息由超宽带定位模块提供机载摄像头和边缘计算设备得到载荷摆动信息图 实物控制框图.马伟杰等:基于视觉伺服的四旋翼吊挂抗摆控制方法 通过直径 长 的绳索吊挂质量为 的载荷如图 所示图 四旋翼吊挂载荷.在绳索与载荷连接处安置视觉可识别标记如图 所示通过计算机视觉检测得到载荷在像素坐标系中的位置图 载荷在像素坐标系中的位置.再由式()计算得到载荷实际位置 ()()()()式()中:和 表示载荷在像素坐标系中的坐标 表示摄像头标定之后的像素点与实际距离的比例系数和 为无人机的实际俯仰角和横滚角四旋翼无人机初始位置为(.)自主飞向目标位置(.)抗摆前后的载荷摆角 轨迹以及无人机沿导航坐标 轴的飞行轨迹如图、图 所示图 载荷摆角轨迹.图 无人机在 轴方向的飞行轨迹.从图 可以看出在抗摆控制作用下载荷摆动幅度和摆动频率都有一定减小 而从图 也可以看出抗摆控制方法能有效削弱载荷摆动对于无人机的影响使无人机飞行更加平稳 结论提出了一种基于视觉伺服的四旋翼吊挂抗摆控制方法该方法允许无人机在不受加速度限制的情况下极大地降低载荷摆动频率缩短载荷停摆时间加快无人机轨迹跟踪提高无人机吊挂运输效率通过仿真验证了该方法针对不同吊挂载荷质量以及载荷质量突变情况下抗摆控制的有效性将基于视觉伺服的抗摆控制方法嵌入边缘计算平台实现非实验室环境下的部署对所提出的方法进行飞行验证参考文献:梁晓胡欲立.四旋翼吊挂运输系统动态反馈线性化轨迹控制.自动化学报():.():./().:.鲜斌张旭杨森.无人机吊挂飞行的非线性控制方法设计.控制理论与应用():.():.鲜斌张诗婧韩晓薇等.基于强化学习的无人机吊挂负载系统轨迹规划.吉林大学学报(工学版)():.兵 器 装 备 工 程 学 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