【无人机控制】基于高斯原理的空中回收微型无人机的绳索阻尼系统动力学与控制附Matlab代码

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🔥 内容介绍

在军事侦察、灾害救援、环境监测等场景中，微型无人机（重量 <5kg，如大疆 Mavic 系列、军用 “黑蜂” 无人机）因体积小、机动性强、部署灵活的优势，可深入复杂区域完成任务。但传统回收方式（如地面迫降、伞降回收）存在明显局限：地面迫降易受地形影响（如山地、水域）导致无人机损坏；伞降回收精度低（误差通常 > 10m），且回收后需人工搜寻，难以满足 “快速部署、循环使用” 的需求。

空中回收技术（如母机挂载回收、空中网捕回收）通过母平台（如直升机、固定翼飞机、大型无人机）在飞行中回收微型无人机，可实现 “无场地限制、高精度、快速回收”，成为微型无人机作业闭环的关键技术。其中，“绳索阻尼系统” 是空中回收的核心执行机构 —— 母机通过释放带阻尼装置的绳索，微型无人机通过对接机构（如挂钩、电磁吸附）与绳索连接，再通过阻尼系统缓冲回收过程中的冲击载荷，确保无人机平稳减速至安全速度。

然而，绳索阻尼系统的动力学特性复杂，回收过程面临三大核心挑战：

1. 载荷冲击控制：微型无人机与绳索对接瞬间，相对速度（通常 5-15m/s）会产生巨大冲击载荷，若阻尼不足，易导致无人机结构损坏或绳索断裂；若阻尼过大，会延长回收时间，增加母机与无人机的飞行风险（如姿态失稳）；

1. 多体动力学耦合：回收过程涉及 “母机 - 绳索 - 无人机” 三者的耦合运动 —— 母机的姿态波动（如气流扰动导致的俯仰、偏航）会通过绳索传递至无人机，无人机的机动调整也会反作用于绳索张力，形成复杂的动力学耦合效应；

1. 不确定性干扰：气流扰动（如湍流、阵风）、无人机初始对接偏差（位置、速度偏差）会导致回收过程偏离预期轨迹，传统被动阻尼系统（如弹簧阻尼器）难以自适应调整阻尼力，易出现回收失败。

高斯原理（Gauss's Principle of Least Constraint）作为分析受约束动力学系统的核心理论，通过 “最小约束条件下的运动优化”，可实现对复杂耦合系统的精准控制 —— 将绳索阻尼系统的 “冲击载荷最小化”“回收时间最短化” 作为约束目标，基于高斯原理设计主动阻尼控制策略，能有效解决上述技术挑战，为微型无人机空中回收提供稳定、可靠的解决方案。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

function uout = drogue_guidance(uu,P)

% process inputs

[drogue,radius_d, t] = processInputs(uu,P);

V_d = P.mothership.V/P.mothership.radius * (radius_d);

V = norm([drogue.ndot;drogue.edot;drogue.ddot]);

if t>50 && (P.drogue.CD_ctrl_flag==1) %150

u_delta_CD = sat( P.drogue.k_CD*(V - V_d), P.drogue.CDdotbar);

else

u_delta_CD = 0;

end

roll_rate = 0;

theta_rate = 0;

% output of guidance algorithm

uout = [roll_rate; theta_rate; u_delta_CD];

%=============================================================================

% wrap

% wrap chi between [-pi, pi]

%=============================================================================

function chi = wrap(chi)

while chi > pi,

chi = chi-2*pi;

end

while chi < -pi,

chi = chi+2*pi;

end

%=============================================================================

% sat

% saturate the input u at the constraint c

%=============================================================================

%

function out = sat(u,c)

if u>c,

out=c;

elseif u<-c,

out=-c;

else

out=u;

end

%========================================================

% processInputs

% interpret inputs create data structures

% differentiate angles and camera values

%========================================================

function [drogue, radius_d, t] = processInputs(uu,P)

% get current time

t = uu(end);

% Drogue data

NN = 0;

drogue.n = uu(1+NN);

drogue.e = uu(2+NN);

drogue.d = uu(3+NN);

drogue.ndot = uu(4+NN);

drogue.edot = uu(5+NN);

drogue.ddot = uu(6+NN);

drogue.phi = uu(7+NN);

drogue.theta = uu(8+NN);

drogue.psi = uu(9+NN);

NN = 9;

radius_d = uu(1+NN);

🔗 参考文献

[1]姚文莉,李贞靖,宋克伟.基于高斯最小拘束原理的含单边约束的多刚体系统动力学[C]//第十届全国多体动力学与控制暨第五届全国航天动力学与控制学术会议.0[2025-09-09].

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