单无人机吊装稳定控制研究

单无人机吊装稳定控制研究

高家乐 杨帅 袁海东 杨敏巍

北方自动控制技术研究所，030006

摘要：本文针对无人机绳系吊装载荷的问题进行了稳定控制研究，提出了一种新的基于观测器的双环二阶滑模控制方法。将载荷视为扰动，在位置环和姿态环设计观测器来估计载荷对系统造成的影响，并在设计的二阶滑模控制器中对扰动进行精确、直接的补偿。通过仿真试验观察了轨迹跟踪的控制效果，验证了基于观测器的双环二阶滑模控制方案的有效性。

关键词：无人机，稳定，控制

旋翼无人机(UAV)是一个典型的具有强耦合性的欠驱动系统。四旋翼无人机以其安全、成本低、操作方便、机动性高等优点，在航空摄影、救灾、植保、交通运输等领域得到了广泛的应用。目前，旋翼无人机运输载荷主要通过刚性连接或柔性连接的方式来进行。刚性连接运输主要是指旋翼无人机直接连接到载荷上，或者通过无人机的机载机械臂抓住载荷。柔性连接运输是指载荷通过绳索连接至无人机。对于刚性连接，无人机需要频繁起飞和着陆，并且无人机无法承载体积较大的载荷。绳系吊装运输具有方便、高效、节省土地资源、不受地形条件影响等优点，因此得到了广泛的应用。

目前，主要有两种方法解决该问题：一种是将重物视为扰动，并在控制器中减去扰动量；另一种是设计鲁棒控制器。

对于鲁棒控制器，有几种线性控制技术，如PID和LQR，学者Samir Bouabdallah介绍了两种基于模型的控制技术并应用于四旋翼微型直升机：基于简化动力学模型的经典方法(PID)和基于更完整模型的现代技术(LQ)[1]。针对一类非线性不确定性系统，提出了基于事件触发的滑模控制(SMC, Sliding Mode Control)算法。东南大学熊晶晶老师通过忽略动力学中的高阶项，提出了一种常见的二阶滑模控制算法[2]。北京航空航天大学的郭克信，提出了抗干扰的鲁棒控制算法[3]。

对于观测器补偿方法，西北工业大学袁源老师提出了基于观测器的无人机的抗干扰控制方法[4]。学者Wonhee Kim提出了基于三角饱和的位置控制器函数[5]。北京航空航天大学的方晓星老师，采用基于参考模型跟踪的动态模型反演技术对目标进行线性化，消除耦合因素。然后对系统中的未知干扰(包括未建模的动态性能和反演误差)进行估计，并用ESO进行补偿[6]。

但是，在上述大多数控制器中，无人机动力学模型的高阶项未完全考虑，且经过实际试验验证的控制方案较少。此外，观测器只估计了干扰对位置环的影响。本文在前人研究的基础上，提出了一种鲁棒的基于双环观测器的二阶滑模控制器(Observer-based Second Order Sliding Mode Control，OBSOSMC)。通过设计的观测器对载荷引起的干扰进行估计，在所提出的二阶滑模控制器中进行精确补偿，并通过实际的对比试验验证了该方法的有效性和优越性。

许多学者都关注了单个无人机的控制问题，但是对于单个无人机搬运的控制问题，尤其是高精度跟踪控制问题比较难处理，再加上本文还有无人机搬运的载荷也会对无人机产生影响，所以本章考虑对载荷的精确位置跟踪控制问题。本章的任务是对无人机设计控制器，使得载荷能够跟踪指定的参考路径运动。

本文把载荷当成一种干扰，首先用干扰观测器把载荷对无人机外环和内环的影响估计出来，然后在所设计的控制器中将该干扰进行补偿，这样所设计的控制器可以消除干扰对系统的影响，从而提高无人机搬运载荷的控制精度。提出了一种由观测器和二阶滑模控制方案组成的控制器，用于精确跟踪具有吊装载荷的四旋翼无人机的路径。

在位置回路和姿态回路中都设计了一个观测器，用来估计位置回路和姿态回路中载荷对无人机的影响。然后，在具有鲁棒性的二阶滑模控制律中对观测结果进行补偿来抵消载荷对无人机的影响，以便更好地控制无人机。

滑模变结构算法在保证了控制效果的同时也带来了一定的弊端，由于实际系统中的开关器件不理想，控制切换延迟。因此，当状态轨迹到达滑模面时，很难沿着滑模严格地向平衡点滑动，而是在滑模面两侧来回交叉，导致抖振。抖振是滑模变结构普遍存在的一个问题，引起这个问题最主要的原因就是符号函数中状态变量的阶跃导致的。本文将阶跃的符号函数sign(•)替换成连续的饱和函数sat(•)。

基于以上模型分别使用本文的算法和PID进行轨迹跟踪试验。实验效果如下：

本章阐述了物资投送的旋翼无人机绳系吊装稳定控制的具体方法。将载荷对旋翼无人机位置环和姿态环造成的影响分别使用观测器进行了估计，将载荷对无人机的影响进行量化。为了提高无人机的抗干扰能力，设计了鲁棒的二阶滑模控制器，并把阶跃函数改进为饱和函数，减少了系统的抖振。在设计的位置环和姿态环的控制器中将观测器对载荷的估计量进行了补偿，最后通过仿真试验验证了本章所提出算法的可行性。本章将观测器和鲁棒控制器有效的结合起来，这样可以确保旋翼无人机在运输物资的同时保证有效、稳定的跟踪预定路径，达到预定目的地之后进行投放。

参考文献

[1]Bouabdallah S, Noth A, Siegwart R. PID vs LQ control techniques applied to an indoor micro quadrotor[C]. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots & Systems. IEEE, 2004.

[3]Xiong J J, Zhang G. Sliding mode control for a quadrotor UAV with parameter uncertainties[C]. 2016 2nd International Conference on Control, Automation and Robotics (ICCAR). IEEE, 2016.

[4]Yu X, Guo L , Zhang Y, et al. Multiple Observers Based Anti-Disturbance Control for a Quadrotor UAV[J]. Control Engineering Practice, 2021.

[5]Yuan Y, Cheng L, Wang Z, et al. Position tracking and attitude control for quadrotors via active disturbance rejection control method[J]. Science China(Information Sciences), 2019.

[6]Kim W, Shin D, Won D, et al. Disturbance-Observer-Based Position Tracking Controller in the Presence of Biased Sinusoidal Disturbance for Electrohydraulic Actuators[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2013, 21(6):2290-2298.