【摘要】：四旋翼飛行器具有的操作靈活、可自主飛行等特點(diǎn),使其在偵查與救援、遙感測(cè)量、農(nóng)業(yè)應(yīng)用、物流運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。由于人們不斷的深入研究四旋翼飛行器技術(shù),搭載有自主操作能力的多關(guān)節(jié)機(jī)械手的四旋翼飛行器,成為了一個(gè)新的研究領(lǐng)域。但四旋翼飛行器本身就是一個(gè)強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)、復(fù)雜的非線性系統(tǒng),而加裝的機(jī)械手與四旋翼飛行器之間存在非常嚴(yán)重的耦合問題,導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立,以及控制器的設(shè)計(jì)變得非常困難。因此,建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,并設(shè)計(jì)合適的控制方法,對(duì)搭載機(jī)械手的四旋翼飛行器的研究有著重要的意義。針對(duì)搭載機(jī)械手的四旋翼飛行系統(tǒng)建模復(fù)雜、控制器設(shè)計(jì)困難的問題,文章研究了基于不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)建模及控制器的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析。以下是對(duì)全文主要內(nèi)容的概述:(1)裝載機(jī)械手的四旋翼飛行器(后文簡(jiǎn)稱系統(tǒng))普遍比較笨重,使得其靈活特性得不到保障。為此,在進(jìn)行系統(tǒng)硬件選型和設(shè)計(jì)時(shí),本文提出了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模塊化設(shè)計(jì)以及具備負(fù)載能力和續(xù)航能力的設(shè)計(jì)要求,最后做出整機(jī)的硬件設(shè)計(jì)選型方案。(2)主要針對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模非常復(fù)雜的問題,提出動(dòng)力學(xué)模型建立方案。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析;然后根據(jù)系統(tǒng)循跡飛行和懸停抓取的兩種不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài),分別利用牛頓歐拉法和歐拉-拉格朗日法,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和建模;最后根據(jù)合理?xiàng)l件,簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,得出最終系統(tǒng)的模型。(3)根據(jù)系統(tǒng)在循跡飛行時(shí),機(jī)械手處于初始位置不變這一控制要求,本文設(shè)計(jì)了兩款控制器,它們分別是基于PID雙環(huán)控制理論,以及自適應(yīng)滑�？刂评碚撏瓿傻�。并在MATLAB軟件中搭建了系統(tǒng)的仿真模型。最后仿真實(shí)驗(yàn)表明,帶有自適應(yīng)滑�？刂破鞯南到y(tǒng)的狀態(tài)輸出要比帶有PID控制器的系統(tǒng)更好。(4)根據(jù)系統(tǒng)在執(zhí)行抓取指令時(shí),四旋翼飛行器姿態(tài)角穩(wěn)定為零不變這一控制要求,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的仿真模型。本文首先基于三次多項(xiàng)式插值理論,求解出機(jī)械手的關(guān)節(jié)軌跡函數(shù);然后分別對(duì)機(jī)械手的控制器,和四旋翼飛行器的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì);最后在MATLAB軟件中搭建系統(tǒng)仿真模型,通過對(duì)比兩組模型姿態(tài)角輸出曲線得知,與帶PID控制器的系統(tǒng)相比,帶自適應(yīng)滑�？刂破鞯南到y(tǒng)受機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的影響更小。
【圖文】：

圖 1.1 帶機(jī)械臂的地面移動(dòng)機(jī)器人 圖 1.2 正在運(yùn)送貨物的多旋翼飛行機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對(duì)四旋翼飛行器的開發(fā)周期較短，且應(yīng)用領(lǐng)域主要集中于航拍、遙感和勘少數(shù)物流業(yè)公司正在考慮使用無人機(jī)運(yùn)送貨物，且構(gòu)思的四旋翼飛行器并不操控的機(jī)械手，因此至今為止，，國內(nèi)對(duì)于搭載機(jī)械手的四旋翼飛行器相關(guān)研的。王帥、周洋于 2011 年發(fā)表論文，設(shè)計(jì)一款四旋翼飛行抓捕手，主要用于清的物品[10]，如圖 1.3 所示。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種帶有機(jī)械手的四旋翼飛行器，而攜帶開合功能，同時(shí)設(shè)計(jì) PID 控制器，利用無線手段對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。湖南、王耀南等人在 2016 年發(fā)表論文，針對(duì)旋翼飛行機(jī)械臂在懸停抓取運(yùn)動(dòng)時(shí)節(jié)角變化導(dǎo)致的系統(tǒng)重心變化問題，提出一種動(dòng)態(tài)重心補(bǔ)償控制方法[11]，文行了動(dòng)力學(xué)建模，并設(shè)計(jì)了基于 backstepping 的動(dòng)態(tài)重心補(bǔ)償控制方法。中

例如空中操作、抓取等，如圖1.2 所示。搭載機(jī)械手比較常見的飛行器種類，包括固定旋翼飛行器、四旋翼飛行器和多旋翼飛行器，這些組合機(jī)器人包含了一個(gè)無人機(jī)飛行器和一個(gè)多自由度的機(jī)械手，且該系統(tǒng)都是可進(jìn)行空中操作的，主要作用是在飛行過程中對(duì)目標(biāo)物體實(shí)施操作[9]。機(jī)械手與旋翼飛行器的結(jié)合，旨在實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的微型化、靈巧化及四旋翼飛行器的多功能、智能化，順應(yīng)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展潮流。
【學(xué)位授予單位】：江西理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V249.1

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 傅百先;趙維義;劉航;畢玉泉;;卡-28直升機(jī)及其共軸式雙旋翼系統(tǒng)的特性[J];直升機(jī)技術(shù);2002年03期

2 宋亞平;淺談旋翼的防腐維護(hù)[J];航空維修與工程;2004年04期

3 _5^懔

本文編號(hào)：2618573