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周嘉星(1989—),男,讲师,E-mail:2021000082@xmut.edu.cn |
收稿日期: 2025-04-10
网络出版日期: 2025-11-28
基金资助
福建省自然科学基金资助(2022J05286)
厦门市科技计划资助项目(3502Z20227072)
厦门理工学院高层次人才科研启动资助项目(YKJ22019R)
厦门理工学院高层次人才科研启动资助项目(YKJ24018R)
教育部产学合作协同育人项目(231102532155002)
厦门理工学院研究生创新启动基金(YKJCX2024164)
厦门理工学院研究生创新启动基金(YKJCX2024147)
Research on Modeling and Control of a Quadrotor Slung-Load System Based on Kane’s Method
Received date: 2025-04-10
Online published: 2025-11-28
针对四旋翼无人机吊挂负载系统传统建模方法(牛顿-欧拉/拉格朗日)建模步骤繁琐、计算效率低以及负载摆动稳定时间过长的问题。首先,提出一种基于Kane法建立四旋翼吊挂系统动力学模型的方法。该方法无需分析牛顿-欧拉法中的理想约束反力,也不必计算拉格朗日法中的动力学函数及其导数。在此基础上,设计一种基于自适应矩估计-神经网络-PID(Adaptive Moment Estimation-Neural Network-PID, Adam-NN-PID)的抗摆控制器,并搭配一种摆角-位移控制策略,以实现负载快速稳定;最后,在仿真环节中,对系统加入多种风扰,以研究抗摆控制器的动态控制效果。仿真结果表明:相较于传统PID和BPNN-PID摆角控制器,基于Adam-NN-PID设计的抗摆控制器,能更快速的使负载稳定,并且负载摆动幅度更小。
关键词: 四旋翼无人机吊挂; Kane法动力学建模; 负载摆动控制; Adam-NN-PID
周嘉星 , 余子成 , 高登巍 , 黄桂兰 , 陈志高 , 邓钊 . 基于Kane法的四旋翼无人机吊挂系统建模与控制研究[J]. 弹箭与制导学报, 2025 , 45(5) : 887 -899 . DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2025.05.033
To address the problems of cumbersome modeling procedures, low computational efficiency in conventional methods(Newton-Euler/Lagrange) for quadrotor UAV slung-load systems, and excessive load swing stabilization time, this study first proposes a Kane’s method-based approach for establishing the dynamic model of the quadrotor slung-load system. This method eliminates the need to analyze ideal constraint forces required in Newton-Euler formulations and avoids computations of dynamic functions and their derivatives in Lagrange methods. Building upon this foundation, an anti-swing controller integrating Adaptive Moment Estimation-Neural Network-PID (Adam-NN-PID) is designed, combined with a swing angle-displacement control strategy to achieve rapid load stabilization. Finally, the simulation introduces multiple wind disturbances to investigate the dynamic control performance. Results demonstrate that compared to conventional PID and BPNN-PID swing angle controllers, the proposed Adam-NN-PID anti-swing controller achieves faster load stabilization with reduced swing amplitude.
Key words: Quadrotor suspend; Kane modeling; Load swing control; Adam-NN-PID
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