本文關(guān)鍵詞：帶懸掛吊艙的八旋翼特種無人機動力學(xué)建模與控制

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【摘要】：多旋翼無人機不僅體積小、機動性強,具備定點懸停與垂直起降的能力,而且機械結(jié)構(gòu)簡單,安裝與維護方便,是一個理想的作業(yè)平臺。近年來,其應(yīng)用越來越廣泛。但無人機在執(zhí)行任務(wù)時,往往需要攜帶任務(wù)設(shè)備,攜帶方式一般分為兩種,夾持和吊掛。目前,成熟的應(yīng)用如航拍以夾持方式為主,而吊掛方式在運輸物品、地雷檢測等場合更具優(yōu)勢。但是無人機在吊掛物體飛行時,其系統(tǒng)穩(wěn)定性會受到來自吊掛物體擺動的影響,從而限制了該方式的應(yīng)用。因此,研究多旋翼無人機的吊掛飛行有利于擴展其應(yīng)用范圍。本文以帶懸掛吊艙的八旋翼無人機為研究對象,首先建立其動力學(xué)模型,然后分析懸掛吊艙對八旋翼無人機飛行的影響,設(shè)計控制律,最后仿真驗證其穩(wěn)定飛行的可行性。在此基礎(chǔ)上,搭建八旋翼無人機實驗平臺,實現(xiàn)八旋翼無人機帶懸掛吊艙的穩(wěn)定飛行。論文的主要研究工作及貢獻如下：(1)八旋翼無人機平臺搭建。首先根據(jù)項目要求,在考慮性能、負載、成本等因素的情況下,設(shè)計并搭建帶懸掛吊艙的八旋翼無人機硬件平臺,開發(fā)飛行控制程序。其次,設(shè)計搭建測試裝置,用于電機螺旋槳系統(tǒng)的特性測試。(2)建立八旋翼無人機/吊艙模型。首先研究吊艙的動力學(xué)模型,分析其與八旋翼無人機之間的耦合,得出吊艙作用在八旋翼無人機上的力和力矩。其次,基于葉素法建立旋翼的動力學(xué)模型,計算八個旋翼作用在機體上的合力與合力矩。最后結(jié)合機身重力與空氣阻力,運用牛頓定律,建立八旋翼無人機/吊艙的非線性模型。(3)模型分析以及控制器設(shè)計。首先對八旋翼無人機/吊艙模型進行線性化。通過線性化模型,分析懸掛吊艙對八旋翼無人機控制量及姿態(tài)的影響,并分析飛行速度、吊艙質(zhì)量、繩索長度與吊艙氣動力對八旋翼無人機／吊艙飛行穩(wěn)定性的影響。其次,針對懸停點處的線性化模型設(shè)計控制器,根據(jù)期望性能整定參數(shù)。最后仿真驗證其控制效果。(4)飛行實驗驗證與分析。在八旋翼無人機自身能夠穩(wěn)定飛行的情況下,進行了兩組關(guān)鍵實驗。其一、八旋翼無人機帶排球(繩長100m)爬升至相高200m的實驗,實驗表明,八旋翼無人機在排球未離地及離地情況下懸停控制效果良好,達到期望要求,而且排球離地瞬間無人機各姿態(tài)過渡平穩(wěn)。二、項目演示實驗,即八旋翼無人機帶任務(wù)設(shè)備(繩長130m)爬升至相高800m,并成功降落回收。實驗過程中各項控制指標均達到要求�？傊�,本文建立了八旋翼無人機/吊艙模型,并且分析了八旋翼無人機帶懸掛吊艙的飛行穩(wěn)定性。在工程上,基于設(shè)計的八旋翼無人機/吊艙控制器,實現(xiàn)了無人機帶懸掛吊艙的穩(wěn)定飛行。因此,本文的研究工作對于八旋翼無人機的應(yīng)用,具有重要的理論與工程參考意義。
【關(guān)鍵詞】：八旋翼無人機 懸掛吊艙 建模 運動分析 PID串級控制
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V279
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 符號表12-16
• 第一章 緒論16-26
• 1.1 研究背景與意義16-18
• 1.2 吊掛飛行研究現(xiàn)狀18-21
• 1.2.1 有人直升機吊掛飛行18-19
• 1.2.2 無人直升機吊掛飛行19-21
• 1.2.3 多旋翼無人機吊掛飛行21
• 1.3 課題來源21
• 1.4 研究思路及技術(shù)難點21-22
• 1.5 主要研究工作及章節(jié)安排22-26
• 1.5.1 研究工作22-23
• 1.5.2 論文章節(jié)安排23-26
• 第二章 八旋翼無人機系統(tǒng)平臺26-40
• 2.1 系統(tǒng)平臺26-29
• 2.1.1 平臺簡介26
• 2.1.2 總體設(shè)計26-29
• 2.1.3 系統(tǒng)框架29
• 2.2 系統(tǒng)硬件平臺29-34
• 2.2.1 飛行控制電路29-34
• 2.2.2 供電系統(tǒng)34
• 2.3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)34-38
• 2.3.1 飛行控制軟件34-37
• 2.3.2 地面操作系統(tǒng)37-38
• 2.4 本章小結(jié)38-40
• 第三章 帶懸掛吊艙的八旋翼無人機建模40-58
• 3.1 相關(guān)坐標系40-43
• 3.1.1 坐標系定義40-41
• 3.1.2 坐標系間的轉(zhuǎn)換41-43
• 3.2 吊艙動力學(xué)模型43-45
• 3.2.1 吊艙運動特性分析43
• 3.2.2 吊艙動力學(xué)建模假設(shè)43
• 3.2.3 吊艙運動方程43-45
• 3.3 電機螺旋槳系統(tǒng)建模45-54
• 3.3.1 測量平臺簡介45-48
• 3.3.2 單個旋翼氣動力和力矩48-53
• 3.3.3 旋翼氣動合力和合力矩53-54
• 3.4 八旋翼無人機/吊艙動力學(xué)建模54-56
• 3.4.1 平動方程54-55
• 3.4.2 轉(zhuǎn)動方程55
• 3.4.3 八旋翼無人機/吊艙模型具體形式55-56
• 3.5 本章小結(jié)56-58
• 第四章 帶懸掛吊艙的八旋翼無人機運動分析及控制器設(shè)計58-80
• 4.1 仿真平臺搭建58-60
• 4.2 八旋翼無人機/吊艙模型配平及線性化60-63
• 4.3 懸掛吊艙對八旋翼無人機飛行的影響63-70
• 4.3.1 吊艙對八旋翼無人機控制量及姿態(tài)的影響63-66
• 4.3.2 飛行速度對吊掛飛行的影響66-67
• 4.3.3 吊艙質(zhì)量對吊掛飛行的影響67-68
• 4.3.4 繩索長度對吊掛飛行的影響68-69
• 4.3.5 吊艙氣動力對吊掛飛行的影響69-70
• 4.4 控制器設(shè)計70-78
• 4.4.1 控制器結(jié)構(gòu)70-71
• 4.4.2 各通道控制器設(shè)計71-76
• 4.4.3 仿真驗證76-78
• 4.5 本章小結(jié)78-80
• 第五章 帶懸掛吊艙的八旋翼無人機飛行控制實驗驗證80-90
• 5.1 八旋翼無人機帶排球200米相高飛行實驗80-86
• 5.1.1 實驗過程描述80-82
• 5.1.2 懸停模態(tài)分析82-85
• 5.1.3 排球離地狀況85-86
• 5.2 八旋翼無人機帶任務(wù)設(shè)備800米相高飛行實驗86-89
• 5.3 本章小結(jié)89-90
• 第六章 全文總結(jié)與展望90-92
• 6.1 論文總結(jié)90-91
• 6.2 研究展望91-92
• 參考文獻92-96
• 作者簡介96
• 作者攻讀碩士期間完成的科研成果96

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