在好莱坞电影《黑客帝国》中有这样一个片段令人惊叹，女主采用直升机吊挂方式去营救同伴，她通过手动控制直升机的运行轨迹，以使被吊挂的同伴不会出现较大地晃动，从而保证他们的生命安全。

黑客帝国

其实在现实中，直升机吊挂系统已经得到实际应用。在军事领域，为美国卡曼宇航公司专门设计研制了用于执行外部吊挂任务的K-Max直升机。在阿富汗战争中，美国军方利用该直升机吊挂系统为前线基地提供了一种提供补给和弹药的新手段，有效解决了后勤补给难题。

K-Max直升机吊挂系统应用在军事领域

但目前大型直升机吊挂运输系统中，无法完全摆脱人的参与，很难真正实现自主控制。因此，展开关于无人机吊挂系统的自主控制研究是十分必要的。作为旋翼式无人机中较为典型的一种，四旋翼无人机因其具有的结构简单、垂直起降、定点悬停和成本低廉等优势广泛应用于各个领域。相比其他类型的无人机，四旋翼无人机具有比较明显的优势：与固定翼无人机相比，它具有可以垂直起降，可以定点悬停的优点；与单旋翼无人机相比，它没有尾桨装置，因此具有机械结构简单、安全性高、使用成本低等优点。

利用四旋翼无人机运送货物，是研究四旋翼无人机应用重要的方向之一。其研究目标是保证四旋翼无人机运动到目标位置的同时，保证负载摆角能够快速收敛到零。但该研究也存在较大的控制难度，原因在于吊挂负载的引入，系统的状态量增加，进而强耦合性、非线性程度加重。加之负载没有外界直接驱动力作用，这使得整个系统的欠驱动程度也上升。另外，考虑到系统具有无人机位置与负载摆角强耦合的特性，吊挂负载的加入，一定程度上对四旋翼无人机的稳定性产生干扰。因此，要同时实现无人机位置的精确控制和负载摆角的快速抑制，具有一定的理论难度。

关于四旋翼无人机吊挂系统的控制，目前国内外的研究人员已经取得了一定的成果，但仍然存在一些局限性：(1)一些已有的控制设计，对被控对象的动态特性进行了较多的假设与简化，例如假设负载摆角足够小，然后在此基础上设计控制器；(2)又如一些控制方法，在平衡点附近对被控模型进行线性化处理，但未考虑非平衡点处的稳定性与控制问题；(3)目前已有的多数控制方法，建立在悬挂负载质量已知的情况下，但在一些实际应用中，存在载荷质量改变的情况，有效的控制方法需要一定程度上不依赖于负载质量；(4)目前大多数的非线性控制方法，只是进行了数值仿真，未进行真实环境下的飞行验证，对于实际应用仍存在一定的风险。

鉴于此，本文首先建立了四旋翼无人机吊挂系统的二维动力学模型，该模型考虑了系统所受的空气阻尼作用。针对存在未知负载质量和空气阻尼系数的情况，本文设计了自适应控制器能实现四旋翼无人机的位置控制及负载摆角的快速抑制，同时设计的参数更新律对模型中的未知对象参数进行在线估计。本文利用Lyapunov方法对控制器的稳定性进行了理论分析，飞行实验验证了本文设计的自适应控制器的有效性。

引用格式：王诗章, 鲜斌, 杨森. 无人机吊挂飞行系统的减摆控制设计. 自动化学报, 2018, 44(10): 1771-1780. 

链接：http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2018-10-1771.htm

作者简介：

王诗章，天津大学硕士研究生. 主要研究方向为无人机的非线性控制.E-mail: wangshizhang@tju.edu.cn

鲜斌，天津大学教授. 主要研究方向为非线性控制, 无人机系统, 实时控制系统.本文通信作者.E-mail: xbin@tju.edu.cn

杨森，天津大学博士研究生. 主要研究方向为无人机的非线性控制.E-mail: yangsen1991@tju.edu.cn