一种飞行球形机器人若干关键技术研究

发布时间：2017-05-06 12:00

  本文关键词：一种飞行球形机器人若干关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：具有空中飞行和地面滚动双运动模式的球形机器人结合了地面球形机器人的滚动运动特点与无人飞行器的垂直起降和空中飞行特点,实现了球形机器人运动模式的多样化,其在工业、国防和农业等领域有着广泛的应用前景。由于飞行球形机器人独特的结构与一般飞行器和球形移动机器人有明显的不同,它既可以在空中飞行,又可以在地面上滚动,使得其相应的飞行动力学分析、地面运动理论、控制方法和技术等研究工作更具有挑战性。因此,本论文针对飞行球形机器人的结构设计、运动分析和控制方法等关键技术进行深入地研究。主要研究内容如下： (1)针对飞行球形机器人构型方案进行分析和设计。首先提出了飞行球形机器人的设计要求,对飞行球形机器人的球壳优势进行分析,基于飞行球形机器人的地面滚动和垂直起降空中飞行功能提出飞行球形机器人设计方案,使得地面滚动和空中飞行两种运动方式有效地结合起来。然后对飞行球形机器人的两种运动模式的相互转换和影响进行了分析。针对飞行球形机器人的应用提出飞行球形机器人的设计指标,基于该指标对飞行球形机器人的关键部件进行了选型和分析,并对飞行球形机器人的动力系统进行了设计和分析。最后考虑到碳纤维球壳对飞行球形机器人内部装置的保护作用,对碳纤维球壳的受力形变进行了计算和分析,并进行了仿真和实物实验,验证了其理论分析的正确性。 (2)研究飞行球形机器人飞行姿态控制技术。首先对飞行球形机器人的飞行运动中的坐标系进行定义,建立其运动学和飞行动力学模型,针对控制舵面对飞行球形机器人的姿态控制进行研究,基于双闭环控制理论对其运动姿态进行控制并进行实物实验,以验证控制方法的有效性。其次,提出机器人重心改变实现对飞行姿态控制的方法,根据其简化机构通过拉格朗日方程得出动力学模型,并采用变结构滑模控制方法对其进行控制,通过仿真和实物实验验证了相应的方法和结论。最后,理论分析碳纤维球壳对飞行球形机器人空中飞行升力的影响,并进行仿真和实验,得出结论。 (3)研究飞行球形机器人地面滚动控制技术。首先建立了针对壳质量分布不均的情况下网状球壳前向运动动力学模型,通过对模型的可控性分析,基于反馈线性化的前向运动控制方法进行了仿真和实物实验。然后针对螺旋桨和长轴电机对球形飞行器的地面运动进行了建模,基于LQR方法对模型控制器进行设计,根据设计的控制器进行仿真和实验,得出结论。 (4)针对飞行球形机器人在约束条件下飞行运动控制进行研究。首先对飞行球形机器人的两种运动环境进行分析和建模：与水平表面作用模式和与垂直墙面作用模式。通过对这两种运动环境的分析,基于鲁棒控制理论对其运动状态进行控制,以验证控制方法的有效性。针对飞行球形机器人的悬停运动进行分析,并基于反演控制对飞行球形机器人的悬停运动进行了详细的研究,最后通过仿真和实验对飞行球形机器人的基于反演悬停控制运动进行了验证。 本论文从构型、建模、运动控制理论等方面对飞行球形机器人进行了深入的研究,所取得的研究成果对地面和空中双运动模式机器人的研究提供了理论依据和技术借鉴,对多运动模式机器人的发展有指导意义。
【关键词】：飞行球形机器人 动力学分析 姿态调整 机器人控制
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目录9-12
• 符号索引12-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 研究背景和意义13-14
• 1.2 相关机器人关键技术研究现状14-23
• 1.2.1 球形飞行器研究现状14-16
• 1.2.2 球形机器人研究现状16-18
• 1.2.3 空中飞行和地面运动双运动模式机器人研究现状18-20
• 1.2.4 无人机飞行器运动和控制技术研究现状20-22
• 1.2.5 球形机器人运动和控制技术研究现状22-23
• 1.3 本论文的研究内容23-25
• 第二章 飞行球形机器人构型研究和实现25-53
• 2.1 引言25
• 2.2 飞行球形机器人的构型方案设计25-33
• 2.2.1 飞行球形机器人设计要求25-26
• 2.2.2 飞行球形机器人的球壳优势分析26
• 2.2.3 飞行球形机器人的地面运动和空中飞行功能方案设计26-28
• 2.2.4 飞行球形机器人方案设计28-33
• 2.3 飞行球形机器人运动模式分析33-39
• 2.3.1 飞行球形机器人空中飞行和地面运动模式分析33-34
• 2.3.2 飞行球形机器人的空中飞行和地面运动模式的相互转换34-36
• 2.3.3 飞行球形机器人的运动阶段分析36-39
• 2.4 飞行球形机器人系统设计与分析39-48
• 2.4.1 飞行球形机器人设计指标39-40
• 2.4.2 飞行球形机器人关键部件选型和分析40-43
• 2.4.3 动力系统设计分析43-46
• 2.4.4 飞行球形机器人样机设计46-48
• 2.5 碳纤维网状球壳形变分析48-52
• 2.5.1 球壳形变的理论分析48-50
• 2.5.2 球壳形变的仿真分析50-51
• 2.5.3 碳纤维网状球壳的形变实验51-52
• 2.6 本章小结52-53
• 第三章 飞行球形机器人飞行控制方法研究53-93
• 3.1 引言53
• 3.2 舵面对空中飞行姿态控制方法研究53-71
• 3.2.1 飞行球形机器人运动学建模53-58
• 3.2.2 飞行球形机器人的飞行动力学建模58-62
• 3.2.3 基于双闭环控制方法的舵面对运动姿态控制策略的研究62-65
• 3.2.4 舵面控制仿真与结果分析65-68
• 3.2.5 飞行球形机器人空中姿态控制实验研究68-71
• 3.3 重心改变对飞行姿态控制方法研究71-82
• 3.3.1 重心改变对飞行姿态影响的分析71-72
• 3.3.2 基于拉格朗日方程的重心改变动力学的建模72-75
• 3.3.3 重心改变对飞行球形机器人姿态的控制方法研究75-79
• 3.3.4 姿态控制方法仿真与分析79-81
• 3.3.5 飞行球形机器人重心控制姿态实验81
• 3.3.6 短轴对飞行姿态影响的分析81-82
• 3.4 网状球壳对飞行球形机器人升力影响因素的分析82-86
• 3.4.1 理论分析82-84
• 3.4.2 仿真分析84
• 3.4.3 网状球壳对飞行球形机器人升力影响实验84-86
• 3.5 飞行球形机器人室外无风飞行实验86-91
• 3.5.1 飞行球形机器人飞行姿态和速度控制实验86-89
• 3.5.2 飞行球形机器人空中交通监控应用实验89-91
• 3.6 本章小结91-93
• 第四章 飞行球形机器人地面滚动控制方法研究93-115
• 4.1 引言93-94
• 4.2 重心改变对机器人地面滚动研究94-98
• 4.2.1 机器人系统模型建立94-95
• 4.2.2 网状球壳对机器人运动性能分析95-98
• 4.2.3 网状球壳的球形机器人的地面滚动仿真98
• 4.3 基于反向前馈控制器的地面滚动的控制方法研究98-108
• 4.3.1 模型简化与仿真98-100
• 4.3.2 模型可控性分析100-102
• 4.3.3 基于反馈线性化的前向运动控制方法102-104
• 4.3.4 飞行球形机器人地面滚动实验研究104-108
• 4.4 螺旋桨和长轴电机对地面滚动控制方法研究108-113
• 4.4.1 螺旋桨和长轴电机产生的力与力矩分析109-111
• 4.4.2 基于LQR控制器设计与仿真分析111-112
• 4.4.3 球形机器人基于螺旋桨和长轴电机直线运动实验112-113
• 4.5 本章小结113-115
• 第五章 飞行球形机器人在约束条件下飞行运动控制研究115-139
• 5.1 引言115
• 5.2 对工作环境的分析115-116
• 5.3 工作环境中的动力学建模116-121
• 5.3.1 约束模型117-118
• 5.3.2 与水平表面的相互作用118-120
• 5.3.3 与垂直墙面的相互作用120-121
• 5.4 起飞和与垂直墙面的相互作用的控制研究121-127
• 5.4.1 基于H∞鲁棒控制方法的飞行运动控制策略研究121-124
• 5.4.2 基于飞行运动控制的仿真分析124-125
• 5.4.3 飞行球形机器人飞行运动控制试验研究125-127
• 5.5 飞行球形机器人悬停控制运动和续航能力分析127-131
• 5.5.1 飞行球形机器人悬停控制运动研究127-130
• 5.5.2 飞行球形机器人续航能力分析130-131
• 5.6 飞行球形机器人室外有风飞行实验131-136
• 5.6.1 飞行球形机器人飞行姿态和速度控制实验131-134
• 5.6.2 飞行球形机器人农田监测应用实验134-136
• 5.7 本章小结136-139
• 结论与展望139-143
• 结论139-140
• 展望140-143
• 参考文献143-153
• 致谢153-155
• 攻读博士期间取得的研究成果及参加课题情况155-156

【参考文献】

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