CN2020108017078一种针对质心偏移和基座浮动的带臂旋翼无人机姿态控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利申请

(10)申请公布号CN111923047A
(43)申请公布日2020.11.13
(21)申请号202010801707.8
(22)申请日2020.08.11
(71)申请人北京航空航天大学
地址100191北京市海淀区学院路37号
(72)发明人余翔吕尚可刘钱源郭雷
乔建忠
(74)专利代理机构北京科迪生专利代理有限责
任公司11251
代理人安丽贾玉忠
(51)Int.Cl.
B25J9/16(2006.01)
G05D1/08(2006.01)
G05D1/10(2006.01)

权利要求书2页说明书6页附图1页
(54)发明名称
一种针对质心偏移和基座浮动的带臂旋翼
无人机姿态控制方法
(57)摘要
本发明涉及一种针对质心偏移和基座浮动
的带臂旋翼无人机姿态控制方法，针对质心偏移
及基座浮动影响机械臂末端控制精度，首先构建
含有质心偏移及基座扰动的飞行机械臂动力学
方程；其次，根据质心偏移对带臂旋翼无人机的
动力学影响，通过配置多自由度机械臂不同关节
间接控制无人机；针对基座浮动引起的扰动，设
计基座浮动干扰观测器估计其幅值；针对基座浮
动干扰观测误差，设计抗饱和控制器进行抑制；
设计抗干扰控制器，完成多源干扰条件下的飞行
机械臂抗干扰姿态控制。本发明能够显著提高带
臂旋翼无人机姿态控制精度，可应用于安防、工
业、军事等领域，满足带臂旋翼无人机在执行物
体抓取、运输、危险物排除等特种作业过程中的
高精度姿态控制需求。
CN111923047A
CN111923047A权利要求书1/2页

1.一种针对质心偏移和基座浮动的带臂旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于，包括
以下步骤：
第一步，将质心偏移和基座浮动分别看作外部集总干扰，将旋翼无人机看作机械臂的
可浮动基座，其中由机械臂关节运动引起的质心偏移看作是可建模的干扰力和干扰力矩，
而基座浮动则视为对机械臂的干扰，建立含有质心偏移干扰带臂旋翼无人机动力学方程；
第二步，针对可建模的质心偏移所引起的干扰，设计质心偏移PID控制器，利用多自由
度机械臂的不同关节配置主动改变质心偏移量从而间接控制基座移动，再次，针对基座浮
动对机械臂带来的干扰，设计基座浮动干扰观测器进行量测；
第三步，针对质心偏移和基座浮动的干扰观测误差，设计抗饱和控制器进行质心偏移
控制和抑制基座浮动对机械臂的干扰；
第四步，最后基于第二步中的质心偏移控制器、第二步中的基座浮动观测器与第三步
中的抗饱和控制器的控制增益，设计复合抗干扰控制器，完成多源干扰条件下的带臂旋翼
无人机抗干扰姿态控制系统设计。
2.根据权利要求1所述的针对质心偏移和基座浮动的带臂旋翼无人机姿态控制方法，
其特征在：所述第一步中，建立含有质心偏移干扰带臂旋翼无人机耦合动力学方程如下：

式中，vb表示作为机械臂基座的旋翼无人机的平动速度，mb和ml分别为多旋翼无人机和

机械臂；Ft为多旋翼无人机的总推力，Rb为多旋翼无人机体坐标系到惯性坐标系的转换矩
T
阵；e3＝[001]，g为重力加速度，Fdis表示质心偏移导致的对基座的干扰力，ωb为多旋翼

无人机的角速度，Ib为多旋翼无人机的转动惯量，τ为多旋翼产生的力矩，τdis为质心偏移对
基座产生的干扰力矩。
3.根据权利要求1所述的针对质心偏移和基座浮动的带臂旋翼无人机姿态控制方法，
其特征在：所述第二步中，质心偏移PID控制器为：

Epos＝Pdesired-Pcurrent

其中，Kp，Kd，Ki分别为比例增益、微分增益、积分增益；Tc为PID控制器输出，Epos为位置控

制偏差，是控制偏差变化率，Pdesired，Pcurrent分别为期望位置和当前位置；
设计的基座浮动干扰观测器具体实现如下：

其中v(t)是基座浮动观测器的一个辅助状态变量，是辅助状态变量的变化率，

是外界干扰对系统状态的影响，是基座浮动针对集总干扰ds(t)的估计值，L是待求干
扰观测器的增益，A、B是系统状态方程的特征矩阵，t表示时间，x(t)表示系统的状态，u(t)

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CN111923047A权利要求书2/2页
表示控制输入，W和V是干扰模型的参数矩阵。
4.根据权利要求1所述的针对质心偏移和基座浮动的带臂旋翼无人机姿态控制方法，
其特征在：所述第三步，针对质心偏移估计和基座浮动干扰观测误差，设计抗饱和控制器进
行主动偏移控制和抑制基座浮动对机械臂的干扰具体实现如下：

电机的最大输出力矩为umax，且umax＞0，从而得到抗饱和控制器如下：

式中的u(t)为电机收到的控制升力指令，不会超过电机转速的最大值，Ft(t)为多旋翼
的总升力。
5.根据权利要求1所述的针对质心偏移和基座浮动的带臂旋翼无人机