多旋翼无人机的机械臂抓取动力学分析和控制研究

发布时间：2017-03-21 05:07

  本文关键词：多旋翼无人机的机械臂抓取动力学分析和控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：多旋翼无人机(Multi-rotors)的快速发展将机器人的运用由地面扩展到了空中,给人类的生产生活带来了很大的变化。目前的无人机运用大多是通过搭载摄像头等传感器实现对地面的拍摄和监控。但是这些运用普遍缺少与环境物体之间的主动交互。通过旋翼无人机搭载机械臂,让无人机能够对环境物体进行操作,这将极大地扩展无人机的应用范围。多旋翼无人机的抓取有别于传统旋翼无人机的控制,其主要难点在于无人机和机械臂的动力学相互耦合,模型更加复杂。此外,在飞行过程中,需要根据目标物体的实际位姿规划出准确的飞行轨迹,对于具有高维状态量的无人机复合系统而言,传统的A*或者基于运动采样RRT等轨迹规划方法无法正常使用,因此需要一种新的规划方法。首先本文通过欧拉-拉格朗日方程建立了四旋翼无人机-机械臂复合系统的三维动力学模型,而美国宾州大学GRASP实验室的无人机抓取模型则是本文模型在x-z平面上的特例。接着,为了解决传统轨迹规划方法难以用在无人机等多维状态情况下,基于上述模型,本文利用迭代线性二次调节方法(i LQR)设计了一种新的复合系统轨迹规划器,该方法基于系统的非线性动力学模型,构造非二次的代价函数,并通过对动力学模型进行线性化、代价函数二次化,最终获得系统的空间三维运动轨迹;而目前经典的最小化Snap方法则是利用微分平滑获得无人机的期望轨迹,规划方法虽然比较简单,但其规划并不是基于模型的。再接着,本文将结合无人机和机械臂的特点,基于PID、几何空间方法和加速度前馈控制方法,设计了相应的控制器跟踪期望轨迹。无人机的控制采用内外环控制,得到驱动无人机运动的推力和力矩。对于机械臂本文使用简单的PID控制器控制它的转动。为了验证本文提出的方法,本文对基于Gazebo的ROS无人机仿真系统Rotors-Simulator进行重要扩展,建立了基于动力学引擎ODE的无人机-机械臂仿真平台,并在该平台验证无人机-机械臂复合系统动力学模型、轨迹规划器和跟踪控制器。由于采用了先进的动力学引擎,该平台与实际无人机的动力学特性十分接近。最后通过仿真对比实验,验证了本文提出的方法的有效性,并且其效果优于现有的方法。本文提出的方法和建立的仿真平台,除了可以直接应用于无人机机械臂抓取规划和控制中,还可以进一步扩展到移动机械臂、太空机械臂以及无人机悬挂物等研究领域,对于其他研究人员是个重要参考,对于我国掌握无人自主系统的路径规划和跟踪控制核心技术有重要意义。
【关键词】：多旋翼无人机抓取 轨迹规划 迭代线性二次调节器 跟踪控制器 最小化Snap规划器
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题研究背景及意义10-12
• 1.2 多旋翼无人机抓取的研究现状与分析12-15
• 1.2.1 国内研究现状12
• 1.2.2 国外研究现状12-15
• 1.2.3 国内外研究现状总结15
• 1.3 本文主要研究内容15-16
• 1.4 本文组织结构16-17
• 第2章 多旋翼无人机抓取的动力学模型建立17-30
• 2.1 多旋翼无人机的飞行原理17-19
• 2.2 动力学模型建立19-26
• 2.3 动力学模型在x-z平面上的简化分析26-28
• 2.4 本章小结28-30
• 第3章 抓取运动的轨迹规划器设计30-46
• 3.1 算法介绍30-31
• 3.1.1 最小化Snap规划算法30
• 3.1.2 迭代线性二次调节器30-31
• 3.2 基于最小化Snap的规划算法31-37
• 3.2.1 微分平滑31-33
• 3.2.2 轨迹规划33-37
• 3.3 基于i LQR的轨迹规划算法37-45
• 3.3.1 i LQR问题定义37-39
• 3.3.2 代价函数及其二次化39-42
• 3.3.3 轨迹规划42-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第4章 轨迹跟踪控制器设计46-52
• 4.1 旋翼无人机的控制46-51
• 4.1.1 控制器结构46-47
• 4.1.2 基于几何空间SE(3)的跟踪误差47-48
• 4.1.3 跟踪控制器48-51
• 4.2 机械臂控制51
• 4.3 本章小结51-52
• 第5章 仿真结果及对比分析52-61
• 5.1 平台搭建52-55
• 5.2 结果与分析55-60
• 5.2.1 最小化Snap方法的结果分析55-57
• 5.2.2 i LQR方法的结果分析57-59
• 5.2.3 两种方法的对比59-60
• 5.3 本章小结60-61
• 结论61-63
• 参考文献63-68
• 致谢68

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 吴东国;;基于四旋翼飞行器平台的低空遥感技术在公路环境调查中的应用[J];公路交通技术;2012年06期

2 韩志凤;李荣冰;刘建业;杭义军;;小型四旋翼飞行器试验平台设计[J];测控技术;2013年10期

3 杨子建;孙通;;小型四旋翼飞行器的设计与研究[J];电子制作;2014年03期

4 李彦辉;唐胜景;杨盛毅;刘超;柳阳阳;;基于电压补偿的四旋翼动力系统建模与实验[J];系统工程与电子技术;2014年05期

5 李春明,顾仲权,杨卫东;具有在线训练功能的智能旋翼频域神经控制[J];振动工程学报;2002年01期

6 邓超;蔡成涛;姜迈;;一种激光测距装置在旋翼共锥度测量中的应用[J];计算机测量与控制;2011年05期

7 蔡成涛;邓超;翁平;陆军;;基于翼尖加速度的旋翼共锥度测量方法研究[J];测控技术;2011年05期

8 潘骏;杨成顺;周宾;;一种新型多旋翼飞行器的建模与反演控制[J];佳木斯大学学报(自然科学版);2012年04期

9 徐从营;蔡成涛;朱齐丹;;基于全景视觉的旋翼共锥度测量方法[J];系统工程与电子技术;2013年02期

10 张辽;张允昌;李威;聂晶;;直升机旋翼自转状态飞行仿真建模研究[J];系统仿真学报;2013年S1期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 招启军;徐国华;;直升机旋翼气动降噪的试验研究[A];第十一届全国空气弹性学术交流会会议论文集[C];2009年

2 招启军;徐国华;;旋翼流场数值模拟的一个混合方法[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（下）[C];2005年

3 赵贺;李孝伟;李亮;;扰动风作用下微型旋翼流场的数值模拟研究[A];第二十五届全国水动力学研讨会暨第十二届全国水动力学学术会议文集（上册）[C];2013年

4 吴志刚;秦强;;影响旋翼轴载荷测试精度的因素分析[A];2011航空试验测试技术学术交流会论文集[C];2010年

5 杨爱明;翁培奋;乔志德;;悬停旋翼跨声速无粘流场计算中的多重网格方法[A];计算流体力学研究进展——第十二届全国计算流体力学会议论文集[C];2004年

6 叶靓;徐国华;;剪刀式旋翼悬停流场和气动力计算研究[A];探索 创新 交流——第五届中国航空学会青年科技论坛文集(第5集)[C];2012年

7 房正;李孝伟;赵贺;;扰动风作用下微型共轴双旋翼流场的数值模拟及其控制研究[A];第十三届全国水动力学学术会议暨第二十六届全国水动力学研讨会论文集——E工业流体力学[C];2014年

8 宋大雷;齐俊桐;韩建达;;基于模型差分析的旋翼飞行机器人航向与垂向预测控制方法[A];2009中国仪器仪表与测控技术大会论文集[C];2009年

9 李春华;陈平剑;;时间推进自由尾迹方法计算俯仰机动时旋翼的尾迹和入流特性[A];探索 创新 交流——第三届中国航空学会青年科技论坛文集（第三集）[C];2008年

10 李振波;陈佳品;张琛;;低雷诺数四旋翼飞行器升力分析与计算方法的研究[A];中国微米、纳米技术第七届学术会年会论文集（一）[C];2005年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 张呈林;直升机旋翼技术的发展[N];中国航空报;2000年

2 郭俊贤 曾菊敏;飞旋之翼[N];中国航空报;2004年

3 曾菊敏;学习成就伟业[N];中国航空报;2006年

4 黄建中;荣获“全国学习型先进班组”光荣称号[N];中国航空报;2007年

5 曾菊敏 韩景昌;六○二所航空科研取得新进展[N];中国航空报;2008年

6 六○二所党委工作部供稿;点燃科学发展之光[N];中国航空报;2009年

7 特约记者 张应翔　通讯员 蔡沛 某陆航旅旅长 成存国;旋翼擦着悬崖飞[N];解放军报;2009年

8 赵晖 陈宇;单双纵横:直升机旋翼变化多[N];中国国防报;2010年

9 梅愉;长空耕“云”半世纪[N];科技日报;2005年

10 蔡金祖;“圆盘旋翼”:又一个“变形金刚”?[N];中国国防报;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 杨明志;四旋翼飞行器自动驾驶仪设计[D];南京航空航天大学;2008年

2 陈正武;悬停旋翼气动噪声数值分析方法研究[D];中国空气动力研究与发展中心;2008年

3 赵志敏;复合材料旋翼结构优化与软件实现[D];大连理工大学;2009年

4 刘丽丽;四旋翼飞行仿真器的建模及控制方法的研究[D];中南大学;2009年

5 戴卫中;基于红外反射的旋翼结冰探测方法的研究[D];华中科技大学;2008年

6 夏鹤鸣;改进型电控旋翼设计及桨距控制研究[D];南京航空航天大学;2009年

7 李航;小型四旋翼飞行器实时控制系统研究[D];大连理工大学;2010年

8 邓升平;旋翼不平衡故障试验及诊断方法研究[D];南京航空航天大学;2010年

9 洪亮;电控旋翼时域自适应控制研究[D];南京航空航天大学;2011年

10 庞庆霈;四旋翼飞行器设计与稳定控制研究[D];中国科学技术大学;2011年

  本文关键词：多旋翼无人机的机械臂抓取动力学分析和控制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：259067