面向无人机的仿生壁面自动起降系统的设计
发布时间：2021-10-07 16:26
无人机出色的机动性使得它在越来越多的领域得到广泛应用,但飞行功耗大以及有限的电池容量导致其续航能力不足,无法去执行需要长时间或者远距离飞行的任务。另一方面,随着城市建设的不断发展,地面空间越来越宝贵,而传统的起降方式只能在平面空间上进行,起降效率不高。让无人机降落栖息在壁面上代替空中悬停可以有效改善这个问题。目前大部分壁面降落研究主要集中在吸附方式和机构设计上,对起降的控制策略及碰撞势能处理问题上,缺乏深入研究,无人机只能在垂直壁面上以相对较慢的速度降落,壁面倾斜适应能力单一,很难应对快速降落时剧烈的碰撞势能,无法满足更高的壁面起降要求。虽然目前无人机壁面起降技术有长足的进展,但从敏捷起降、能耗以及壁面倾斜适应度等方面考虑,仍然有需要改进的地方。受蜜蜂降落在花朵上采集花粉的仿生学启发,本文提出一种基于四轴无人机的仿生壁面自动起降系统,我们对壁面降落过程进行了分析,通过深入研究起降的控制策略和碰撞势能转换问题,设计了起降机构及相应的降落控制策略及算法,同时对降落发生碰撞和弹离壁面的过程分别建模进行动力学分析,仿真验证模型的可靠性和正确性。最后,在垂直壁面和正负倾斜壁面上开展了慢速、中速以...
【文章来源】：广东工业大学广东省
【文章页数】：118 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SCAMP爬壁无人机Fig.1-1SCAMPwallclimbingdrone
广东工业大学硕士学位论文4(a)S-MAD起降机构(b)S-MAD壁面降落动作分解图1-2S-MAD壁面起降无人机Fig.1-2S-MADwalltakeoffandlandingdrone粘性垫是一种理想的壁面降落吸附材料，美国伊利诺理工学院的ArashKalantari等人设计了一种新颖的三向干性粘合垫爪式装置安装在四旋翼无人机的前部[22]，每个垫都装配一个压力传感器检测粘垫的吸附受力情况，通过伺服电机来驱动粘合垫爪式装置与壁面的吸附与分离，如图1-3所示，同时利用Kinect深度相机获取无人机实时的位置信息，通过PID控制器实现自主控制无人机在光滑的垂直壁面上栖息机动。(a)玻璃壁面降落静态效果(b)粘性垫爪式壁面起降机构图1-3粘性垫爪式壁面起降无人机Fig.1-3Walltakeoffandlandingdronebyadhesiongripper瑞士洛桑联邦理工学(EPFL)智能系统实验室(LaboratoryofIntelligentSystems)的LudovicDaler等人提出一种使用粘性纤维垫作为吸附机理实现降落的方法[23]，他
第一章绪论5们采用了一种具有可重复粘附力的干性纤维粘合剂作为附着材料，纤维垫固定在柔顺的执行机构末端，该执行器在启动降落栖息机动时展开，并结合自动对准系统可实现在光滑的垂直壁面上降落。如图1-4所示，研究者对粘性纤维垫进行仔细的设计，提出一种低预加载力下微纤维增强粘接的新技术，在垫层与微纤维之间加了一层泡沫，提高微纤维的柔顺性和耐剥离性，并且对胶垫的施胶工艺和形状进行优化设计，以获得最大的附着力。他们认为合适的降落机构设计比精确的降落栖息机动控制更加稳健，更接近大自然昆虫的栖息能力。(a)壁面降落静态效果(b)粘性垫吸附起降机构图1-4粘性垫吸附壁面起降Fig.1-4Walltakeoffandlandingdronebyadhesivepads2014年，美国哈佛大学生物工程研究院的KevinY.Ma团队在IEEEBioRob国际会议上发表了一篇关于微型扑翼飞行器利用磁力吸附在垂直壁面上进行降落栖息的论文[24]，他们设计了一种微型扑翼飞行机器人来模仿昆虫自然飞行中的降落栖息动作。研究者设计了飞行控制器和简单的附着机制，他们在机器人的脚上安装了一些小金属片，可以使飞行机器人能够在垂直的磁性壁面着陆，如图1-5所示。研究者着重于确定精确的动力学模型，并在最优控制策略的设计中采用了迭代学习控制(IterativeLearningControl)算法，该算法允许飞行机器人从以前的飞行中学习，通过重复相同的轨迹来提高飞行性能。(a)磁吸附扑翼飞行器
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Mathematica对保守双摆的研究[J]. 李戈,时志高,谢奇之,刘江河,卜振翔. 南昌航空大学学报(自然科学版). 2016(03)
[2]飞行吸附机器人的静电吸附单元优化设计研究[J]. 杜姗姗,孙国辛,黄呈伟. 机械制造与自动化. 2015(06)
[3]基于静电吸附原理的双履带爬壁机器人设计[J]. 王黎明,胡青春. 机械设计. 2012(04)
[4]基于柔性静电吸附技术的爬壁机器人研究[J]. 黄之峰,王鹏飞,李满天,孙立宁,李路. 机械设计与制造. 2011(06)
[5]柯尼希定理在质点系中的应用[J]. 茹慧军. 新乡学院学报(自然科学版). 2011(02)
[6]有势力和规范对称性[J]. 黄亦斌,罗开基. 大学物理. 2010(11)
[7]广义坐标的选择在Lagrange动力学分析中的作用[J]. 高征,苏锐. 机械设计与制造. 2010(11)
[8]基于Lagrange方法的平面双摆机构多体动力学研究[J]. 刘艳梨,朱永梅. 机械设计与制造. 2009(05)
[9]基于Lagrange方程三自由度并联机构动力学研究[J]. 白志富,韩先国,陈五一. 北京航空航天大学学报. 2004(01)
硕士论文
[1]基于量化状态系统的多体系统动力学刚性方程求解方法[D]. 贺英良.杭州电子科技大学 2019
[2]静电吸附爬壁机器人系统设计与实验[D]. 谢理.重庆大学 2016
[3]基于强化学习的移动机器人路径规划研究[D]. 高慧.西南交通大学 2016
[4]一种静电吸附方式的微小爬壁机器人研究[D]. 王勇.重庆大学 2015
[5]飞行吸附机器人的控制及仿真研究[D]. 胡闰婷.南京理工大学 2015
[6]飞行吸附机器人的自主控制技术研究[D]. 孙国辛.南京理工大学 2014
本文编号：3422384
【文章来源】：广东工业大学广东省
【文章页数】：118 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SCAMP爬壁无人机Fig.1-1SCAMPwallclimbingdrone
广东工业大学硕士学位论文4(a)S-MAD起降机构(b)S-MAD壁面降落动作分解图1-2S-MAD壁面起降无人机Fig.1-2S-MADwalltakeoffandlandingdrone粘性垫是一种理想的壁面降落吸附材料，美国伊利诺理工学院的ArashKalantari等人设计了一种新颖的三向干性粘合垫爪式装置安装在四旋翼无人机的前部[22]，每个垫都装配一个压力传感器检测粘垫的吸附受力情况，通过伺服电机来驱动粘合垫爪式装置与壁面的吸附与分离，如图1-3所示，同时利用Kinect深度相机获取无人机实时的位置信息，通过PID控制器实现自主控制无人机在光滑的垂直壁面上栖息机动。(a)玻璃壁面降落静态效果(b)粘性垫爪式壁面起降机构图1-3粘性垫爪式壁面起降无人机Fig.1-3Walltakeoffandlandingdronebyadhesiongripper瑞士洛桑联邦理工学(EPFL)智能系统实验室(LaboratoryofIntelligentSystems)的LudovicDaler等人提出一种使用粘性纤维垫作为吸附机理实现降落的方法[23]，他
第一章绪论5们采用了一种具有可重复粘附力的干性纤维粘合剂作为附着材料，纤维垫固定在柔顺的执行机构末端，该执行器在启动降落栖息机动时展开，并结合自动对准系统可实现在光滑的垂直壁面上降落。如图1-4所示，研究者对粘性纤维垫进行仔细的设计，提出一种低预加载力下微纤维增强粘接的新技术，在垫层与微纤维之间加了一层泡沫，提高微纤维的柔顺性和耐剥离性，并且对胶垫的施胶工艺和形状进行优化设计，以获得最大的附着力。他们认为合适的降落机构设计比精确的降落栖息机动控制更加稳健，更接近大自然昆虫的栖息能力。(a)壁面降落静态效果(b)粘性垫吸附起降机构图1-4粘性垫吸附壁面起降Fig.1-4Walltakeoffandlandingdronebyadhesivepads2014年，美国哈佛大学生物工程研究院的KevinY.Ma团队在IEEEBioRob国际会议上发表了一篇关于微型扑翼飞行器利用磁力吸附在垂直壁面上进行降落栖息的论文[24]，他们设计了一种微型扑翼飞行机器人来模仿昆虫自然飞行中的降落栖息动作。研究者设计了飞行控制器和简单的附着机制，他们在机器人的脚上安装了一些小金属片，可以使飞行机器人能够在垂直的磁性壁面着陆，如图1-5所示。研究者着重于确定精确的动力学模型，并在最优控制策略的设计中采用了迭代学习控制(IterativeLearningControl)算法，该算法允许飞行机器人从以前的飞行中学习，通过重复相同的轨迹来提高飞行性能。(a)磁吸附扑翼飞行器
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Mathematica对保守双摆的研究[J]. 李戈,时志高,谢奇之,刘江河,卜振翔. 南昌航空大学学报(自然科学版). 2016(03)
[2]飞行吸附机器人的静电吸附单元优化设计研究[J]. 杜姗姗,孙国辛,黄呈伟. 机械制造与自动化. 2015(06)
[3]基于静电吸附原理的双履带爬壁机器人设计[J]. 王黎明,胡青春. 机械设计. 2012(04)
[4]基于柔性静电吸附技术的爬壁机器人研究[J]. 黄之峰,王鹏飞,李满天,孙立宁,李路. 机械设计与制造. 2011(06)
[5]柯尼希定理在质点系中的应用[J]. 茹慧军. 新乡学院学报(自然科学版). 2011(02)
[6]有势力和规范对称性[J]. 黄亦斌,罗开基. 大学物理. 2010(11)
[7]广义坐标的选择在Lagrange动力学分析中的作用[J]. 高征,苏锐. 机械设计与制造. 2010(11)
[8]基于Lagrange方法的平面双摆机构多体动力学研究[J]. 刘艳梨,朱永梅. 机械设计与制造. 2009(05)
[9]基于Lagrange方程三自由度并联机构动力学研究[J]. 白志富,韩先国,陈五一. 北京航空航天大学学报. 2004(01)
硕士论文
[1]基于量化状态系统的多体系统动力学刚性方程求解方法[D]. 贺英良.杭州电子科技大学 2019
[2]静电吸附爬壁机器人系统设计与实验[D]. 谢理.重庆大学 2016
[3]基于强化学习的移动机器人路径规划研究[D]. 高慧.西南交通大学 2016
[4]一种静电吸附方式的微小爬壁机器人研究[D]. 王勇.重庆大学 2015
[5]飞行吸附机器人的控制及仿真研究[D]. 胡闰婷.南京理工大学 2015
[6]飞行吸附机器人的自主控制技术研究[D]. 孙国辛.南京理工大学 2014
本文编号：3422384
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