【摘要】：近年來,信息處理、傳感器、微處理器及通訊技術(shù)發(fā)展迅速,其成本也隨之降低,使得模塊化機(jī)器人以及微型飛行器迎來蓬勃發(fā)展。然而,集中式四旋翼飛行器由于其結(jié)構(gòu)及控制方法等局限性導(dǎo)致存在容錯(cuò)能力低、功能擴(kuò)展性不足、結(jié)構(gòu)靈活性差等問題。因此,本文基于分布式的控制方法對(duì)旋翼飛行器進(jìn)行研究并提出改善方法。首先,為解決集中式四旋翼飛行器功能擴(kuò)展性及結(jié)構(gòu)靈活性差的問題,本文融合模塊化機(jī)器人的思想將集中式的四旋翼飛行器分解為多個(gè)能夠獨(dú)立運(yùn)行的飛行模塊相拼接的形式,且各飛行模塊內(nèi)部均包含獨(dú)立的控制器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及反饋環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上,可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的載荷需求和結(jié)構(gòu)需要,使用數(shù)量不同的飛行模塊拼接成不同構(gòu)型、不同功能的分布式構(gòu)型旋翼飛行平臺(tái)。其次,為改善集中式四旋翼飛行器容錯(cuò)能力低的問題,本文設(shè)計(jì)了一種基于分布式的分布式控制算法,對(duì)上述分布式構(gòu)型旋翼飛行平臺(tái)進(jìn)行飛行控制。組成該飛行平臺(tái)的各飛行模塊之間,按照分布式網(wǎng)絡(luò)化控制的方法,及預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行信息交互,并結(jié)合傳感器反饋的信息獨(dú)立決策自身的動(dòng)力輸出。通過各模塊的協(xié)同合作實(shí)現(xiàn)整體飛行平臺(tái)的位姿運(yùn)動(dòng)。為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的分布式構(gòu)型多旋翼飛行平臺(tái),本文通過合理的簡(jiǎn)化將分布式構(gòu)型旋翼飛行平臺(tái)視為具有空間六自由度的剛體,并利用相關(guān)動(dòng)力學(xué)知識(shí),建立飛行平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型。接下來,在對(duì)比了兩種常見的集中式四旋翼飛行控制方法之后,本文最終采用LQR最優(yōu)控制器作為分布式構(gòu)型旋翼飛行平臺(tái)中各自主體的局部控制器,并通過上層的分布式控制算法對(duì)各飛行模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,使得整體飛行平臺(tái)能夠協(xié)調(diào)飛行。然后,本文基于Arduino開發(fā)平臺(tái),搭建了分布式構(gòu)型的四旋翼實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、遙控器及地面站。并在文中給出各部件的選型及詳細(xì)參數(shù)。針對(duì)本文分布式構(gòu)型旋翼飛行平臺(tái)的研究需要,設(shè)計(jì)遙控器及地面站,實(shí)現(xiàn)飛行平臺(tái)飛行過程中姿態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄并在MATLAB中繪制姿態(tài)變化曲線,為進(jìn)一步的結(jié)論分析提供基礎(chǔ)。最后,文章進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)——滾轉(zhuǎn)角自穩(wěn)實(shí)驗(yàn)及起飛懸停實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)地面站采集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的分布式構(gòu)型飛行平臺(tái)的可行性。在文章末尾總結(jié)全文的研究工作及存在的一些不足,提出需要今后進(jìn)一步研究的問題。
【圖文】：

圖 1-1 賓夕法尼亞大學(xué)的四旋翼及其編隊(duì)、協(xié)同工作實(shí)驗(yàn)除常見的四旋翼飛行器之外，在此基礎(chǔ)上還衍生出了一些其它的多轉(zhuǎn)子飛行器，如圖 1-2(a)所示的 Draganflyer Innovatios 公司的 X-6 旋翼飛行器；圖 1-2(b)中 2011 年英國(guó)曼徹斯特大學(xué) D.Langkamp 為提高負(fù)載能力所開發(fā)的 Hexrotor UAV 六旋翼飛行器以及圖1-2(c)所示墨西哥Alejandro Samano等人于2013年研制的一種周向均布的Eight-Roto無人機(jī)[14]。

圖 1-2(a)所示的 Draganflyer Innovatios 公司的 X-6 旋翼飛行器；圖 1-2(b)中 2011 年英國(guó)曼徹斯特大學(xué) D.Langkamp 為提高負(fù)載能力所開發(fā)的 Hexrotor UAV 六旋翼飛行器以及圖1-2(c)所示墨西哥Alejandro Samano等人于2013年研制的一種周向均布的Eight-Rotor無人機(jī)[14]。圖 1-2 幾種多轉(zhuǎn)子飛行器國(guó)內(nèi)大疆等公司的商用四旋翼飛行器不僅處于行業(yè)領(lǐng)先地位，其產(chǎn)品更是遠(yuǎn)銷海外。眾多高校及科研機(jī)構(gòu)也在旋翼飛行器的設(shè)計(jì)、建模、控制等方面做出一定的科研成果。如北京航空航天大學(xué)的自組裝飛行器[15]、南昌航空航天大學(xué)的傾轉(zhuǎn)涵道無人機(jī)[16]、西北工業(yè)大學(xué)的折疊機(jī)翼變體飛機(jī)[17]等。(a) (b)(c)
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP273;V249.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2705467