無人機(jī)（Unmanned aerial vehicle,UAV）的快速發(fā)展使得機(jī)器人的應(yīng)用從地面拓展到了高空,讓人們?nèi)粘Ｉ钪袑?duì)世界有了更廣闊、更高維度的感知。四旋翼無人機(jī)是最常用的無人機(jī)之一,它已經(jīng)被廣泛使用于勘測(cè)、偵查等。但其應(yīng)用范圍遠(yuǎn)不止這些。用于救援、快遞、餐廳服務(wù)等正是它們的現(xiàn)在和未來。這些場(chǎng)景涉及無人機(jī)與周邊環(huán)境的直接接觸,在四旋翼上搭載機(jī)械臂將能更好的實(shí)現(xiàn)這樣的交互。但對(duì)這樣一個(gè)多體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所要求的操作的控制,與對(duì)一般四旋翼或者機(jī)械臂的控制不同。主要難點(diǎn)在于這個(gè)多體系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)耦合,增加了系統(tǒng)的非線性性,使得模型更加復(fù)雜;而機(jī)械臂部分和環(huán)境的接觸,更給模型帶來不確定的變化,不易精確建模;要實(shí)現(xiàn)一些操作任務(wù),對(duì)控制精度、魯棒性和系統(tǒng)的響應(yīng)速度等提出了更高的要求。本文針對(duì)帶臂四旋翼空中抓取的應(yīng)用場(chǎng)景,主要對(duì)帶臂四旋翼多種軌跡跟蹤控制算法展開研究,并通過大量仿真進(jìn)行控制性能分析和對(duì)比。目的是能夠控制系統(tǒng)的幾個(gè)狀態(tài)跟蹤期望值,能夠在飛行過程中實(shí)時(shí)物體抓取,同時(shí)在抓取物體之后依舊保持良好的軌跡跟蹤性能。首先通過拉格朗日-歐拉方法建立了四旋翼-機(jī)械臂三維動(dòng)力學(xué)模型,并根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景,... 

【文章來源】：上海交通大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：92 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

無人機(jī)搭載基站為地震搶險(xiǎn)人員提供通信服務(wù)1Fig.1-1TheUAVwithacommunicationbase

1.1 課題研究背景和意義無人機(jī)是一種無需人工操作、具有自主飛行能力的空中飛行機(jī)器人。相比于地面移動(dòng)機(jī)器人，它能夠在更廣闊的三維空間中運(yùn)動(dòng)，可進(jìn)行地質(zhì)勘探、偵查、視頻監(jiān)控等，在實(shí)際生活有很大需求量。旋翼無人機(jī)是無人機(jī)其中一種。與其他空中飛行機(jī)器人相比，它具備結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單、可懸停、在三維空間中機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前廣泛應(yīng)用的一種無人機(jī)。航空拍攝時(shí)人們最熟知的應(yīng)用之一，在影視作品制作上的運(yùn)用給人們帶來更廣闊的視野，和更好的體驗(yàn)。不僅是娛樂方面，旋翼無人機(jī)可以代替人完成高危環(huán)境下信息獲取與作業(yè)等任務(wù)[1]。2017 年 6月 24 日，四川茂縣山體發(fā)生垮塌，國(guó)家電網(wǎng)四川省電力公司須搶修九寨溝中被群山環(huán)抱的變電站，他們使用無人機(jī)，結(jié)合三維實(shí)景建模技術(shù)，能夠清晰地看到周圍環(huán)境，同時(shí)可以根據(jù)圖像設(shè)計(jì)工作人員逃生方案，提升了工作效率并保障人員安全；不僅是電力行業(yè)采用無人機(jī)作業(yè)，在2017年8月四川九寨溝發(fā)生地震之后，湖南移動(dòng)通信公司使用無人機(jī)搭載 4G 基站飛到 66 米高度，為搶險(xiǎn)人員和災(zāi)民提供通信和上網(wǎng)服務(wù)，為生命線的暢通提供保障，如圖 1-1 和圖 1-2 所示。

1-3 中科院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究的旋翼飛行機(jī)械1-3 The rotorcraft aerial manipulator made by Shenyang Institute of Automation CAcademy of Sciences外研究歷史和現(xiàn)狀外將飛行器和機(jī)械臂結(jié)合的應(yīng)用可以追溯到 70 年代，當(dāng)時(shí)美國(guó)提出器人系統(tǒng)，即空間機(jī)械臂的概念。剛開始都是操作員在地面上，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱，而這會(huì)帶來任務(wù)的延時(shí)以及人為操作的失著無人飛行技術(shù)的發(fā)展，以及任務(wù)難度的增加，越來越需要一些完務(wù)的飛行機(jī)器人。早期的一些成果，都是無人機(jī)懸停狀態(tài)下，機(jī)械早在 2010 年，耶魯大學(xué)就發(fā)明出了“耶魯空中機(jī)械臂（Yallator）”，主要是在無人直升機(jī)下安裝一個(gè)機(jī)械抓，實(shí)現(xiàn)懸停時(shí)物體的[9]中分析了抓取物體以及過渡到自由飛行的過渡過程中的系統(tǒng)穩(wěn)定，使用 PID 控制器，在耶魯空中機(jī)械臂平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。猶他州立k V.等[10]在 2011 年研究了四旋翼自主室內(nèi)空中抓取物體的場(chǎng)景，主精確定位、目標(biāo)識(shí)別和操作及抓取物體時(shí)無人機(jī)的飛行穩(wěn)定控制三[3]

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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[6]基于無人機(jī)遙感技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展[J]. 謝濤,劉銳,胡秋紅,姚新.  環(huán)境科技. 2013(04)
[7]模型預(yù)測(cè)控制——現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J]. 席裕庚,李德偉,林姝.  自動(dòng)化學(xué)報(bào). 2013(03)
[8]預(yù)測(cè)控制的研究現(xiàn)狀和多層智能預(yù)測(cè)控制[J]. 席裕庚,許曉嗚,張鐘俊.  控制理論與應(yīng)用. 1989(02)

碩士論文
[1]旋翼飛行機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真測(cè)試[D]. 白陽.南京航空航天大學(xué) 2016
[2]多旋翼無人機(jī)的機(jī)械臂抓取動(dòng)力學(xué)分析和控制研究[D]. 李選聰.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2016
[3]小型四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D]. 劉煥曄.上海交通大學(xué) 2009



本文編號(hào)：3505741