分布式构型旋翼飞行平台设计及控制方法研究

发布时间：2020-06-10 00:04

【摘要】：近年来,信息处理、传感器、微处理器及通讯技术发展迅速,其成本也随之降低,使得模块化机器人以及微型飞行器迎来蓬勃发展。然而,集中式四旋翼飞行器由于其结构及控制方法等局限性导致存在容错能力低、功能扩展性不足、结构灵活性差等问题。因此,本文基于分布式的控制方法对旋翼飞行器进行研究并提出改善方法。首先,为解决集中式四旋翼飞行器功能扩展性及结构灵活性差的问题,本文融合模块化机器人的思想将集中式的四旋翼飞行器分解为多个能够独立运行的飞行模块相拼接的形式,且各飞行模块内部均包含独立的控制器、传感器、执行机构及反馈环节。在此基础上,可根据实际应用中的载荷需求和结构需要,使用数量不同的飞行模块拼接成不同构型、不同功能的分布式构型旋翼飞行平台。其次,为改善集中式四旋翼飞行器容错能力低的问题,本文设计了一种基于分布式的分布式控制算法,对上述分布式构型旋翼飞行平台进行飞行控制。组成该飞行平台的各飞行模块之间,按照分布式网络化控制的方法,及预设的网络拓扑关系进行信息交互,并结合传感器反馈的信息独立决策自身的动力输出。通过各模块的协同合作实现整体飞行平台的位姿运动。为验证本文设计的分布式构型多旋翼飞行平台,本文通过合理的简化将分布式构型旋翼飞行平台视为具有空间六自由度的刚体,并利用相关动力学知识,建立飞行平台的动力学模型。接下来,在对比了两种常见的集中式四旋翼飞行控制方法之后,本文最终采用LQR最优控制器作为分布式构型旋翼飞行平台中各自主体的局部控制器,并通过上层的分布式控制算法对各飞行模块进行协调控制,使得整体飞行平台能够协调飞行。然后,本文基于Arduino开发平台,搭建了分布式构型的四旋翼实验平台、遥控器及地面站。并在文中给出各部件的选型及详细参数。针对本文分布式构型旋翼飞行平台的研究需要,设计遥控器及地面站,实现飞行平台飞行过程中姿态数据的实时记录并在MATLAB中绘制姿态变化曲线,为进一步的结论分析提供基础。最后,文章进行了两组实验——滚转角自稳实验及起飞悬停实验。通过对地面站采集到的姿态数据进行分析,验证了本文设计的分布式构型飞行平台的可行性。在文章末尾总结全文的研究工作及存在的一些不足,提出需要今后进一步研究的问题。
【图文】：

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图 1-1 宾夕法尼亚大学的四旋翼及其编队、协同工作实验除常见的四旋翼飞行器之外，在此基础上还衍生出了一些其它的多转子飞行器，如图 1-2(a)所示的 Draganflyer Innovatios 公司的 X-6 旋翼飞行器；图 1-2(b)中 2011 年英国曼彻斯特大学 D.Langkamp 为提高负载能力所开发的 Hexrotor UAV 六旋翼飞行器以及图1-2(c)所示墨西哥Alejandro Samano等人于2013年研制的一种周向均布的Eight-Roto无人机[14]。

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图 1-2(a)所示的 Draganflyer Innovatios 公司的 X-6 旋翼飞行器；图 1-2(b)中 2011 年英国曼彻斯特大学 D.Langkamp 为提高负载能力所开发的 Hexrotor UAV 六旋翼飞行器以及图1-2(c)所示墨西哥Alejandro Samano等人于2013年研制的一种周向均布的Eight-Rotor无人机[14]。图 1-2 几种多转子飞行器国内大疆等公司的商用四旋翼飞行器不仅处于行业领先地位，其产品更是远销海外。众多高校及科研机构也在旋翼飞行器的设计、建模、控制等方面做出一定的科研成果。如北京航空航天大学的自组装飞行器[15]、南昌航空航天大学的倾转涵道无人机[16]、西北工业大学的折叠机翼变体飞机[17]等。(a) (b)(c)
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP273;V249.1

【参考文献】