带臂四旋翼无人机控制系统设计与空中快速抓取研究
发布时间：2021-11-19 19:50
无人机（Unmanned aerial vehicle,UAV）的快速发展使得机器人的应用从地面拓展到了高空,让人们日常生活中对世界有了更广阔、更高维度的感知。四旋翼无人机是最常用的无人机之一,它已经被广泛使用于勘测、侦查等。但其应用范围远不止这些。用于救援、快递、餐厅服务等正是它们的现在和未来。这些场景涉及无人机与周边环境的直接接触,在四旋翼上搭载机械臂将能更好的实现这样的交互。但对这样一个多体系统实现所要求的操作的控制,与对一般四旋翼或者机械臂的控制不同。主要难点在于这个多体系统内部的状态耦合,增加了系统的非线性性,使得模型更加复杂;而机械臂部分和环境的接触,更给模型带来不确定的变化,不易精确建模;要实现一些操作任务,对控制精度、鲁棒性和系统的响应速度等提出了更高的要求。本文针对带臂四旋翼空中抓取的应用场景,主要对带臂四旋翼多种轨迹跟踪控制算法展开研究,并通过大量仿真进行控制性能分析和对比。目的是能够控制系统的几个状态跟踪期望值,能够在飞行过程中实时物体抓取,同时在抓取物体之后依旧保持良好的轨迹跟踪性能。首先通过拉格朗日-欧拉方法建立了四旋翼-机械臂三维动力学模型,并根据应用场景,...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
无人机搭载基站为地震抢险人员提供通信服务1Fig.1-1TheUAVwithacommunicationbase
1.1 课题研究背景和意义无人机是一种无需人工操作、具有自主飞行能力的空中飞行机器人。相比于地面移动机器人，它能够在更广阔的三维空间中运动，可进行地质勘探、侦查、视频监控等，在实际生活有很大需求量。旋翼无人机是无人机其中一种。与其他空中飞行机器人相比，它具备结构和控制简单、可悬停、在三维空间中机动性强等优点，是目前广泛应用的一种无人机。航空拍摄时人们最熟知的应用之一，在影视作品制作上的运用给人们带来更广阔的视野，和更好的体验。不仅是娱乐方面，旋翼无人机可以代替人完成高危环境下信息获取与作业等任务[1]。2017 年 6月 24 日，四川茂县山体发生垮塌，国家电网四川省电力公司须抢修九寨沟中被群山环抱的变电站，他们使用无人机，结合三维实景建模技术，能够清晰地看到周围环境，同时可以根据图像设计工作人员逃生方案，提升了工作效率并保障人员安全；不仅是电力行业采用无人机作业，在2017年8月四川九寨沟发生地震之后，湖南移动通信公司使用无人机搭载 4G 基站飞到 66 米高度，为抢险人员和灾民提供通信和上网服务，为生命线的畅通提供保障，如图 1-1 和图 1-2 所示。
1-3 中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室研究的旋翼飞行机械1-3 The rotorcraft aerial manipulator made by Shenyang Institute of Automation CAcademy of Sciences外研究历史和现状外将飞行器和机械臂结合的应用可以追溯到 70 年代，当时美国提出器人系统，即空间机械臂的概念。刚开始都是操作员在地面上，对机器人进行远距离操纵，而这会带来任务的延时以及人为操作的失着无人飞行技术的发展，以及任务难度的增加，越来越需要一些完务的飞行机器人。早期的一些成果，都是无人机悬停状态下，机械早在 2010 年，耶鲁大学就发明出了“耶鲁空中机械臂（Yallator）”，主要是在无人直升机下安装一个机械抓，实现悬停时物体的[9]中分析了抓取物体以及过渡到自由飞行的过渡过程中的系统稳定，使用 PID 控制器，在耶鲁空中机械臂平台上进行实验。犹他州立k V.等[10]在 2011 年研究了四旋翼自主室内空中抓取物体的场景，主精确定位、目标识别和操作及抓取物体时无人机的飞行稳定控制三[3]
【参考文献】：
期刊论文
[1]液压旋翼飞行机械臂系统建模与控制方法[J]. 林天宇,齐俊桐,姚俊. 沈阳理工大学学报. 2016(02)
[2]基于主动转向的车辆路径跟随广义预测控制[J]. 曹阳,贺登博,喻凡,罗哲. 上海交通大学学报. 2016(03)
[3]旋翼飞行机械臂建模及动态重心补偿控制[J]. 钟杭,王耀南,李玲,刘洪剑,李力. 控制理论与应用. 2016(03)
[4]旋翼飞行机器人研究进展[J]. 谭建豪,王耀南,王媛媛,张艺巍,王楚,陈谢沅澧. 控制理论与应用. 2015(10)
[5]3自由度旋翼飞行机械臂系统动力学建模与预测控制方法[J]. 宋大雷,孟祥冬,齐俊桐,韩建达. 机器人. 2015(02)
[6]基于无人机遥感技术的环境监测研究进展[J]. 谢涛,刘锐,胡秋红,姚新. 环境科技. 2013(04)
[7]模型预测控制——现状与挑战[J]. 席裕庚,李德伟,林姝. 自动化学报. 2013(03)
[8]预测控制的研究现状和多层智能预测控制[J]. 席裕庚,许晓呜,张钟俊. 控制理论与应用. 1989(02)
硕士论文
[1]旋翼飞行机械臂控制系统设计及仿真测试[D]. 白阳.南京航空航天大学 2016
[2]多旋翼无人机的机械臂抓取动力学分析和控制研究[D]. 李选聪.哈尔滨工业大学 2016
[3]小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计[D]. 刘焕晔.上海交通大学 2009
本文编号：3505741
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
无人机搭载基站为地震抢险人员提供通信服务1Fig.1-1TheUAVwithacommunicationbase
1.1 课题研究背景和意义无人机是一种无需人工操作、具有自主飞行能力的空中飞行机器人。相比于地面移动机器人，它能够在更广阔的三维空间中运动，可进行地质勘探、侦查、视频监控等，在实际生活有很大需求量。旋翼无人机是无人机其中一种。与其他空中飞行机器人相比，它具备结构和控制简单、可悬停、在三维空间中机动性强等优点，是目前广泛应用的一种无人机。航空拍摄时人们最熟知的应用之一，在影视作品制作上的运用给人们带来更广阔的视野，和更好的体验。不仅是娱乐方面，旋翼无人机可以代替人完成高危环境下信息获取与作业等任务[1]。2017 年 6月 24 日，四川茂县山体发生垮塌，国家电网四川省电力公司须抢修九寨沟中被群山环抱的变电站，他们使用无人机，结合三维实景建模技术，能够清晰地看到周围环境，同时可以根据图像设计工作人员逃生方案，提升了工作效率并保障人员安全；不仅是电力行业采用无人机作业，在2017年8月四川九寨沟发生地震之后，湖南移动通信公司使用无人机搭载 4G 基站飞到 66 米高度，为抢险人员和灾民提供通信和上网服务，为生命线的畅通提供保障，如图 1-1 和图 1-2 所示。
1-3 中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室研究的旋翼飞行机械1-3 The rotorcraft aerial manipulator made by Shenyang Institute of Automation CAcademy of Sciences外研究历史和现状外将飞行器和机械臂结合的应用可以追溯到 70 年代，当时美国提出器人系统，即空间机械臂的概念。刚开始都是操作员在地面上，对机器人进行远距离操纵，而这会带来任务的延时以及人为操作的失着无人飞行技术的发展，以及任务难度的增加，越来越需要一些完务的飞行机器人。早期的一些成果，都是无人机悬停状态下，机械早在 2010 年，耶鲁大学就发明出了“耶鲁空中机械臂（Yallator）”，主要是在无人直升机下安装一个机械抓，实现悬停时物体的[9]中分析了抓取物体以及过渡到自由飞行的过渡过程中的系统稳定，使用 PID 控制器，在耶鲁空中机械臂平台上进行实验。犹他州立k V.等[10]在 2011 年研究了四旋翼自主室内空中抓取物体的场景，主精确定位、目标识别和操作及抓取物体时无人机的飞行稳定控制三[3]
【参考文献】：
期刊论文
[1]液压旋翼飞行机械臂系统建模与控制方法[J]. 林天宇,齐俊桐,姚俊. 沈阳理工大学学报. 2016(02)
[2]基于主动转向的车辆路径跟随广义预测控制[J]. 曹阳,贺登博,喻凡,罗哲. 上海交通大学学报. 2016(03)
[3]旋翼飞行机械臂建模及动态重心补偿控制[J]. 钟杭,王耀南,李玲,刘洪剑,李力. 控制理论与应用. 2016(03)
[4]旋翼飞行机器人研究进展[J]. 谭建豪,王耀南,王媛媛,张艺巍,王楚,陈谢沅澧. 控制理论与应用. 2015(10)
[5]3自由度旋翼飞行机械臂系统动力学建模与预测控制方法[J]. 宋大雷,孟祥冬,齐俊桐,韩建达. 机器人. 2015(02)
[6]基于无人机遥感技术的环境监测研究进展[J]. 谢涛,刘锐,胡秋红,姚新. 环境科技. 2013(04)
[7]模型预测控制——现状与挑战[J]. 席裕庚,李德伟,林姝. 自动化学报. 2013(03)
[8]预测控制的研究现状和多层智能预测控制[J]. 席裕庚,许晓呜,张钟俊. 控制理论与应用. 1989(02)
硕士论文
[1]旋翼飞行机械臂控制系统设计及仿真测试[D]. 白阳.南京航空航天大学 2016
[2]多旋翼无人机的机械臂抓取动力学分析和控制研究[D]. 李选聪.哈尔滨工业大学 2016
[3]小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计[D]. 刘焕晔.上海交通大学 2009
本文编号：3505741
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