带单关节机械臂四旋翼无人机建模与控制

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四旋翼飞行器具有体积小、成本低、可垂直起降且可进行精确慢速移动等特点,因此在近年得到了广泛应用。而对于四旋翼飞行器大部分的应用限于监测、拍摄等“非接触式”应用,无法与环境或者目标物体接触,一定程度上限制了旋翼飞行器的应用范围。通过在旋翼飞行器平台上搭载机械臂,可以使旋翼飞行器能够对目标物体进行抓取、搬运、擦拭等操作。对于带臂旋翼无人机系统的控制,需要对机械臂与旋翼平台间的相互作用进行分析,建立系统的动力学模型。在明确搭载机械臂以及机械臂作动时对旋翼平台造成的反作用后,需要针对带臂旋翼无人机系统的飞行模式、机械臂作动模式以及末端器受外力模式设计相应的控制器,以实现带臂旋翼无人机系统在各种状态下的稳定位置控制。因此本文针对带单关节机械臂的四旋翼无人机系统的动力学建模与控制问题进行研究。研究内容主要包括以下几点:1、确定将单关节机械臂搭载于四旋翼无人机质心下的基本构型。在建立带臂旋翼无人机系统的关键坐标系以及得到各坐标系间变换关系的基础上,采用牛顿-欧拉方法迭代推算基座、关节与末端器的位移、转动的速度与加速度以及受力情况,得到全状态下机械臂对于四旋翼平台的反作用。在此基础上建立带臂无人机系统的动力学模型,并对模型的动态响应进行仿真测试,验证模型正确性。2、基于经典的PID控制算法,设计带臂无人机系统的位置跟踪控制算法。使用串级控制回路将四旋翼无人机线运动、角运动分别放置在外环、内环进行控制,并在四旋翼无人机控制系统基础上加入机械臂运动学,实现机械臂末端器的位置控制。通过仿真实验验证该算法可以实现带臂无人机系统在飞行模式和机械臂作动模式的位置控制。3、基于干扰观测器,设计带臂无人机系统的位置跟踪鲁棒控制器。考虑到机械臂作动对于旋翼无人机平台的反作用以及末端器受外力对于带臂无人机系统的干扰,设计系统的干扰观测器对于机械臂的反作用以及外力干扰进行前馈补偿,以提升作动模式和受力模式下系统控制性能。通过仿真实验验证该算法可以提升作动模式以及受力模式的控制响应效果。4、基于模型预测控制算法,设计带臂无人机系统的位置跟踪控制器。考虑到机械臂作动对旋翼平台的反作用以及末端器受外力对系统的反作用具有具体模型,在对带臂无人机系统进行控制时可以使用系统动力学模型实现预测控制。通过仿真实验验证该算法能在机械臂较大机动以及受到较大外力情况下实现系统悬停控制与轨迹跟踪。
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