【摘要】：系留式多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)在工程應(yīng)用領(lǐng)域中的特殊種類,其主要用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、邊界偵查、火災(zāi)防控、電能傳輸線路監(jiān)測(cè)等。該系統(tǒng)通過(guò)線纜將地面移動(dòng)載車平臺(tái)上產(chǎn)生的電能供給無(wú)人機(jī)使用,解決了傳統(tǒng)多旋翼無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間短的弊端,拓寬了無(wú)人機(jī)的使用場(chǎng)景。然而該種類無(wú)人機(jī)國(guó)內(nèi)的研究成果較少,且研究人員將研究重點(diǎn)主要集中在裝置結(jié)構(gòu)上的改進(jìn),對(duì)系留線纜的受力情況,無(wú)人機(jī)的抗干擾能力等方面研究較少。由于機(jī)動(dòng)狀態(tài)下無(wú)人機(jī)還需對(duì)地面平臺(tái)實(shí)現(xiàn)跟蹤,目前也很少涉及將系留式無(wú)人機(jī)運(yùn)用于跟蹤的研究。本文從動(dòng)力學(xué)模型和軌跡跟蹤兩個(gè)方面對(duì)系留式無(wú)人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析,通過(guò)使用微元法,對(duì)系留線纜受力情況進(jìn)行分析,構(gòu)建系留式無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型。針對(duì)系留無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在受到未知擾動(dòng)的影響下,存在抗干擾能力弱、控制精度不高的問(wèn)題,本文采用反步滑模法對(duì)無(wú)人機(jī)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì),使系留式無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能夠較精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)設(shè)軌跡的跟蹤飛行。本研究的主要研究工作如下:1)本系統(tǒng)通過(guò)使用基于VICOR模塊設(shè)計(jì)的機(jī)上電源模塊、電源轉(zhuǎn)換裝置、發(fā)電機(jī)等設(shè)備,實(shí)現(xiàn)由地面向無(wú)人機(jī)供電,然后對(duì)地面移動(dòng)平臺(tái)以及機(jī)上部分的各零部件進(jìn)行優(yōu)選,參數(shù)計(jì)算,完成系留無(wú)人機(jī)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì),最后通過(guò)懸�？刂骑w行實(shí)驗(yàn),證明系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。2)在無(wú)人機(jī)受到系留線纜的影響下,本文使用橫流原理對(duì)線纜的微元段進(jìn)行分析,求出線纜受到風(fēng)阻影響時(shí)的阻力大小,然后使用微元法對(duì)繩上張力進(jìn)行分析,解出線纜對(duì)無(wú)人機(jī)造成的拉力大小,然后在普通四旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上,將系留無(wú)人機(jī)受到的線纜作用力考慮進(jìn)來(lái),對(duì)模型加以改進(jìn),從而構(gòu)建出系留式無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型。3)針對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)非線性、耦合性強(qiáng)等特點(diǎn),使用反步滑模法設(shè)計(jì)控制器,并與經(jīng)典的反步控制方法進(jìn)行對(duì)預(yù)設(shè)軌跡的跟蹤控制仿真對(duì)比分析,最終結(jié)果表明,該方法可以在更短的時(shí)間內(nèi)到目標(biāo)位置,跟蹤效率更高,且超調(diào)量更小。綜上所述,本文所搭建的系留式無(wú)人機(jī)平臺(tái)基本能滿足試驗(yàn)要求,且該平臺(tái)使用的跟蹤方法具有一定的優(yōu)越性,可為后續(xù)系留無(wú)人機(jī)的研究提供一定的參考。
【圖文】：

設(shè)計(jì)了一種可在室內(nèi)狹小環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)避障、懸停、目標(biāo)跟蹤的四旋翼無(wú)人逡逑機(jī)［１＼同時(shí)，還使用了多架相同規(guī)格的無(wú)人機(jī)，完成了預(yù)設(shè)軌跡的編隊(duì)飛行任務(wù)，逡逑如圖１．２所示。該團(tuán)隊(duì)采用了紅外傳感裝置和視覺(jué)處理技術(shù)，來(lái)協(xié)助慣導(dǎo)元器件逡逑進(jìn)行位置、角度測(cè)量，最終取得了理想的控制效果。２００７年，麻省理工學(xué)院（Ｍ逡逑ＩＴ）針對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行了無(wú)人機(jī)集群健康管理計(jì)劃（ＵＡＶ邋Ｓｗａｒｍ邋Ｈｅａｌｔｈ邋Ｍａ逡逑ｎａｇｅｍｅｎｔ）邋＾１９］，其主要研究?jī)?nèi)容是通過(guò)地面控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多無(wú)人機(jī)協(xié)同合作逡逑的任務(wù)，研制出的無(wú)人機(jī)通過(guò)慣性導(dǎo)航元件對(duì)測(cè)量到的位置信息進(jìn)行反饋，，并對(duì)逡逑周圍環(huán)境感知，對(duì)激光掃描陣列進(jìn)行重建后，完成規(guī)劃航跡，最終實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)逡逑地面控制端，對(duì)多架四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行協(xié)同控制的效果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地面車輛逡逑目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，還實(shí)現(xiàn)了多架無(wú)人機(jī)按預(yù)設(shè)編隊(duì)飛行的實(shí)驗(yàn)。美國(guó)Ｓｔａｎｆｏｒｄ大學(xué)逡逑的Ｉｌａｎ邋Ｋｒｏｏ開發(fā)了一種體型非常小的四旋翼無(wú)人機(jī)，其尺寸只有１６Ｘ１６ｍｍ，其逡逑結(jié)構(gòu)為對(duì)稱的正方向

■邋－ｆ．逡逑圖１．１旋翼機(jī)１號(hào)逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｂｒｅｇｕｅｔ－Ｒｉｃｈｅｔ邋Ｇｙｒｏｐｌａｎｅ邋Ｎｏ．邋１逡逑隨著相關(guān)研究領(lǐng)域，包括控制理論，傳感技術(shù)，材料技術(shù)等研究成果的不斷逡逑突破，解決了無(wú)人機(jī)在控制，制造，測(cè)量等方面的諸多難題。而多旋翼固有的優(yōu)逡逑點(diǎn)，使得許多研究人員的目光重新聚集在它的身上，因此，多旋翼無(wú)人機(jī)有了突逡逑飛猛進(jìn)的發(fā)展。逡逑由瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院研發(fā)出名為ＯＳ４的小型四旋翼無(wú)人飛行器，能夠?qū)嶅义犀F(xiàn)室內(nèi)及室外的自主飛行控制，在四軸測(cè)試平臺(tái)上，其采用了經(jīng)典ＰＩＤ、反步控逡逑制等多種算法［１５］來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)的控制，并在室內(nèi)和室外進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn)，對(duì)其逡逑穩(wěn)定性、跟蹤效率、自主懸停精度都進(jìn)行了測(cè)試。賓夕法尼亞大學(xué)的ＧＲＡＳＰ團(tuán)逡逑隊(duì)，設(shè)計(jì)了一種可在室內(nèi)狹小環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)避障、懸停、目標(biāo)跟蹤的四旋翼無(wú)人逡逑機(jī)［１＼同時(shí)
【學(xué)位授予單位】：中南林業(yè)科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V279;V249.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2629290