搭载机械手的四旋翼飞行器运动控制研究

发布时间：2020-04-07 23:58

【摘要】：四旋翼飞行器具有的操作灵活、可自主飞行等特点,使其在侦查与救援、遥感测量、农业应用、物流运输等领域的应用越来越广泛。由于人们不断的深入研究四旋翼飞行器技术,搭载有自主操作能力的多关节机械手的四旋翼飞行器,成为了一个新的研究领域。但四旋翼飞行器本身就是一个强耦合、欠驱动、复杂的非线性系统,而加装的机械手与四旋翼飞行器之间存在非常严重的耦合问题,导致系统动力学模型的建立,以及控制器的设计变得非常困难。因此,建立系统的动力学模型,并设计合适的控制方法,对搭载机械手的四旋翼飞行器的研究有着重要的意义。针对搭载机械手的四旋翼飞行系统建模复杂、控制器设计困难的问题,文章研究了基于不同运动状态的动力学建模及控制器的设计与运动分析。以下是对全文主要内容的概述:(1)装载机械手的四旋翼飞行器(后文简称系统)普遍比较笨重,使得其灵活特性得不到保障。为此,在进行系统硬件选型和设计时,本文提出了结构简单、模块化设计以及具备负载能力和续航能力的设计要求,最后做出整机的硬件设计选型方案。(2)主要针对系统的动力学建模非常复杂的问题,提出动力学模型建立方案。首先对系统进行了运动学分析;然后根据系统循迹飞行和悬停抓取的两种不同运动状态,分别利用牛顿欧拉法和欧拉-拉格朗日法,对系统进行动力学分析和建模;最后根据合理条件,简化系统动力学模型,得出最终系统的模型。(3)根据系统在循迹飞行时,机械手处于初始位置不变这一控制要求,本文设计了两款控制器,它们分别是基于PID双环控制理论,以及自适应滑模控制理论完成的。并在MATLAB软件中搭建了系统的仿真模型。最后仿真实验表明,带有自适应滑模控制器的系统的状态输出要比带有PID控制器的系统更好。(4)根据系统在执行抓取指令时,四旋翼飞行器姿态角稳定为零不变这一控制要求,设计了系统的仿真模型。本文首先基于三次多项式插值理论,求解出机械手的关节轨迹函数;然后分别对机械手的控制器,和四旋翼飞行器的控制器进行设计;最后在MATLAB软件中搭建系统仿真模型,通过对比两组模型姿态角输出曲线得知,与带PID控制器的系统相比,带自适应滑模控制器的系统受机械手运动的影响更小。
【图文】：

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图 1.1 带机械臂的地面移动机器人图 1.2 正在运送货物的多旋翼飞行机器人国内外研究现状国内研究现状国内对四旋翼飞行器的开发周期较短，且应用领域主要集中于航拍、遥感和勘少数物流业公司正在考虑使用无人机运送货物，且构思的四旋翼飞行器并不操控的机械手，因此至今为止，，国内对于搭载机械手的四旋翼飞行器相关研的。王帅、周洋于 2011 年发表论文，设计一款四旋翼飞行抓捕手，主要用于清的物品[10]，如图 1.3 所示。他们设计了一种带有机械手的四旋翼飞行器，而携带开合功能，同时设计 PID 控制器，利用无线手段对系统进行控制。湖南、王耀南等人在 2016 年发表论文，针对旋翼飞行机械臂在悬停抓取运动时节角变化导致的系统重心变化问题，提出一种动态重心补偿控制方法[11]，文行了动力学建模，并设计了基于 backstepping 的动态重心补偿控制方法。中

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例如空中操作、抓取等，如图1.2 所示。搭载机械手比较常见的飞行器种类，包括固定旋翼飞行器、四旋翼飞行器和多旋翼飞行器，这些组合机器人包含了一个无人机飞行器和一个多自由度的机械手，且该系统都是可进行空中操作的，主要作用是在飞行过程中对目标物体实施操作[9]。机械手与旋翼飞行器的结合，旨在实现机械手的微型化、灵巧化及四旋翼飞行器的多功能、智能化，顺应当前技术发展潮流。
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V249.1

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