本文關(guān)鍵詞：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，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：多旋翼無人機(jī)(Multi-rotors)的快速發(fā)展將機(jī)器人的運(yùn)用由地面擴(kuò)展到了空中,給人類的生產(chǎn)生活帶來了很大的變化。目前的無人機(jī)運(yùn)用大多是通過搭載攝像頭等傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)地面的拍攝和監(jiān)控。但是這些運(yùn)用普遍缺少與環(huán)境物體之間的主動(dòng)交互。通過旋翼無人機(jī)搭載機(jī)械臂,讓無人機(jī)能夠?qū)Νh(huán)境物體進(jìn)行操作,這將極大地?cái)U(kuò)展無人機(jī)的應(yīng)用范圍。多旋翼無人機(jī)的抓取有別于傳統(tǒng)旋翼無人機(jī)的控制,其主要難點(diǎn)在于無人機(jī)和機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)相互耦合,模型更加復(fù)雜。此外,在飛行過程中,需要根據(jù)目標(biāo)物體的實(shí)際位姿規(guī)劃出準(zhǔn)確的飛行軌跡,對(duì)于具有高維狀態(tài)量的無人機(jī)復(fù)合系統(tǒng)而言,傳統(tǒng)的A*或者基于運(yùn)動(dòng)采樣RRT等軌跡規(guī)劃方法無法正常使用,因此需要一種新的規(guī)劃方法。首先本文通過歐拉-拉格朗日方程建立了四旋翼無人機(jī)-機(jī)械臂復(fù)合系統(tǒng)的三維動(dòng)力學(xué)模型,而美國(guó)賓州大學(xué)GRASP實(shí)驗(yàn)室的無人機(jī)抓取模型則是本文模型在x-z平面上的特例。接著,為了解決傳統(tǒng)軌跡規(guī)劃方法難以用在無人機(jī)等多維狀態(tài)情況下,基于上述模型,本文利用迭代線性二次調(diào)節(jié)方法(i LQR)設(shè)計(jì)了一種新的復(fù)合系統(tǒng)軌跡規(guī)劃器,該方法基于系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)模型,構(gòu)造非二次的代價(jià)函數(shù),并通過對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行線性化、代價(jià)函數(shù)二次化,最終獲得系統(tǒng)的空間三維運(yùn)動(dòng)軌跡;而目前經(jīng)典的最小化Snap方法則是利用微分平滑獲得無人機(jī)的期望軌跡,規(guī)劃方法雖然比較簡(jiǎn)單,但其規(guī)劃并不是基于模型的。再接著,本文將結(jié)合無人機(jī)和機(jī)械臂的特點(diǎn),基于PID、幾何空間方法和加速度前饋控制方法,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器跟蹤期望軌跡。無人機(jī)的控制采用內(nèi)外環(huán)控制,得到驅(qū)動(dòng)無人機(jī)運(yùn)動(dòng)的推力和力矩。對(duì)于機(jī)械臂本文使用簡(jiǎn)單的PID控制器控制它的轉(zhuǎn)動(dòng)。為了驗(yàn)證本文提出的方法,本文對(duì)基于Gazebo的ROS無人機(jī)仿真系統(tǒng)Rotors-Simulator進(jìn)行重要擴(kuò)展,建立了基于動(dòng)力學(xué)引擎ODE的無人機(jī)-機(jī)械臂仿真平臺(tái),并在該平臺(tái)驗(yàn)證無人機(jī)-機(jī)械臂復(fù)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、軌跡規(guī)劃器和跟蹤控制器。由于采用了先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)引擎,該平臺(tái)與實(shí)際無人機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性十分接近。最后通過仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文提出的方法的有效性,并且其效果優(yōu)于現(xiàn)有的方法。本文提出的方法和建立的仿真平臺(tái),除了可以直接應(yīng)用于無人機(jī)機(jī)械臂抓取規(guī)劃和控制中,還可以進(jìn)一步擴(kuò)展到移動(dòng)機(jī)械臂、太空機(jī)械臂以及無人機(jī)懸掛物等研究領(lǐng)域,對(duì)于其他研究人員是個(gè)重要參考,對(duì)于我國(guó)掌握無人自主系統(tǒng)的路徑規(guī)劃和跟蹤控制核心技術(shù)有重要意義。
【關(guān)鍵詞】：多旋翼無人機(jī)抓取 軌跡規(guī)劃 迭代線性二次調(diào)節(jié)器 跟蹤控制器 最小化Snap規(guī)劃器
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP242
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-17
• 1.1 課題研究背景及意義10-12
• 1.2 多旋翼無人機(jī)抓取的研究現(xiàn)狀與分析12-15
• 1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀12
• 1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)15
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容15-16
• 1.4 本文組織結(jié)構(gòu)16-17
• 第2章 多旋翼無人機(jī)抓取的動(dòng)力學(xué)模型建立17-30
• 2.1 多旋翼無人機(jī)的飛行原理17-19
• 2.2 動(dòng)力學(xué)模型建立19-26
• 2.3 動(dòng)力學(xué)模型在x-z平面上的簡(jiǎn)化分析26-28
• 2.4 本章小結(jié)28-30
• 第3章 抓取運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃器設(shè)計(jì)30-46
• 3.1 算法介紹30-31
• 3.1.1 最小化Snap規(guī)劃算法30
• 3.1.2 迭代線性二次調(diào)節(jié)器30-31
• 3.2 基于最小化Snap的規(guī)劃算法31-37
• 3.2.1 微分平滑31-33
• 3.2.2 軌跡規(guī)劃33-37
• 3.3 基于i LQR的軌跡規(guī)劃算法37-45
• 3.3.1 i LQR問題定義37-39
• 3.3.2 代價(jià)函數(shù)及其二次化39-42
• 3.3.3 軌跡規(guī)劃42-45
• 3.4 本章小結(jié)45-46
• 第4章 軌跡跟蹤控制器設(shè)計(jì)46-52
• 4.1 旋翼無人機(jī)的控制46-51
• 4.1.1 控制器結(jié)構(gòu)46-47
• 4.1.2 基于幾何空間SE(3)的跟蹤誤差47-48
• 4.1.3 跟蹤控制器48-51
• 4.2 機(jī)械臂控制51
• 4.3 本章小結(jié)51-52
• 第5章 仿真結(jié)果及對(duì)比分析52-61
• 5.1 平臺(tái)搭建52-55
• 5.2 結(jié)果與分析55-60
• 5.2.1 最小化Snap方法的結(jié)果分析55-57
• 5.2.2 i LQR方法的結(jié)果分析57-59
• 5.2.3 兩種方法的對(duì)比59-60
• 5.3 本章小結(jié)60-61
• 結(jié)論61-63
• 參考文獻(xiàn)63-68
• 致謝68

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 吳東國(guó);;基于四旋翼飛行器平臺(tái)的低空遙感技術(shù)在公路環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用[J];公路交通技術(shù);2012年06期

2 韓志鳳;李榮冰;劉建業(yè);杭義軍;;小型四旋翼飛行器試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J];測(cè)控技術(shù);2013年10期

3 楊子建;孫通;;小型四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與研究[J];電子制作;2014年03期

4 李彥輝;唐勝景;楊盛毅;劉超;柳陽陽;;基于電壓補(bǔ)償?shù)乃男韯?dòng)力系統(tǒng)建模與實(shí)驗(yàn)[J];系統(tǒng)工程與電子技術(shù);2014年05期

5 李春明,顧仲權(quán),楊衛(wèi)東;具有在線訓(xùn)練功能的智能旋翼頻域神經(jīng)控制[J];振動(dòng)工程學(xué)報(bào);2002年01期

6 鄧超;蔡成濤;姜邁;;一種激光測(cè)距裝置在旋翼共錐度測(cè)量中的應(yīng)用[J];計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制;2011年05期

7 蔡成濤;鄧超;翁平;陸軍;;基于翼尖加速度的旋翼共錐度測(cè)量方法研究[J];測(cè)控技術(shù);2011年05期

8 潘駿;楊成順;周賓;;一種新型多旋翼飛行器的建模與反演控制[J];佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2012年04期

9 徐從營(yíng);蔡成濤;朱齊丹;;基于全景視覺的旋翼共錐度測(cè)量方法[J];系統(tǒng)工程與電子技術(shù);2013年02期

10 張遼;張?jiān)什?李威;聶晶;;直升機(jī)旋翼自轉(zhuǎn)狀態(tài)飛行仿真建模研究[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào);2013年S1期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 招啟軍;徐國(guó)華;;直升機(jī)旋翼氣動(dòng)降噪的試驗(yàn)研究[A];第十一屆全國(guó)空氣彈性學(xué)術(shù)交流會(huì)會(huì)議論文集[C];2009年

2 招啟軍;徐國(guó)華;;旋翼流場(chǎng)數(shù)值模擬的一個(gè)混合方法[A];中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)'2005論文摘要集（下）[C];2005年

3 趙賀;李孝偉;李亮;;擾動(dòng)風(fēng)作用下微型旋翼流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[A];第二十五屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)暨第十二屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議文集（上冊(cè)）[C];2013年

4 吳志剛;秦強(qiáng);;影響旋翼軸載荷測(cè)試精度的因素分析[A];2011航空試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2010年

5 楊愛明;翁培奮;喬志德;;懸停旋翼跨聲速無粘流場(chǎng)計(jì)算中的多重網(wǎng)格方法[A];計(jì)算流體力學(xué)研究進(jìn)展——第十二屆全國(guó)計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議論文集[C];2004年

6 葉靚;徐國(guó)華;;剪刀式旋翼懸停流場(chǎng)和氣動(dòng)力計(jì)算研究[A];探索 創(chuàng)新 交流——第五屆中國(guó)航空學(xué)會(huì)青年科技論壇文集(第5集)[C];2012年

7 房正;李孝偉;趙賀;;擾動(dòng)風(fēng)作用下微型共軸雙旋翼流場(chǎng)的數(shù)值模擬及其控制研究[A];第十三屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨第二十六屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)論文集——E工業(yè)流體力學(xué)[C];2014年

8 宋大雷;齊俊桐;韓建達(dá);;基于模型差分析的旋翼飛行機(jī)器人航向與垂向預(yù)測(cè)控制方法[A];2009中國(guó)儀器儀表與測(cè)控技術(shù)大會(huì)論文集[C];2009年

9 李春華;陳平劍;;時(shí)間推進(jìn)自由尾跡方法計(jì)算俯仰機(jī)動(dòng)時(shí)旋翼的尾跡和入流特性[A];探索 創(chuàng)新 交流——第三屆中國(guó)航空學(xué)會(huì)青年科技論壇文集（第三集）[C];2008年

10 李振波;陳佳品;張琛;;低雷諾數(shù)四旋翼飛行器升力分析與計(jì)算方法的研究[A];中國(guó)微米、納米技術(shù)第七屆學(xué)術(shù)會(huì)年會(huì)論文集（一）[C];2005年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 張呈林;直升機(jī)旋翼技術(shù)的發(fā)展[N];中國(guó)航空?qǐng)?bào);2000年

2 郭俊賢 曾菊敏;飛旋之翼[N];中國(guó)航空?qǐng)?bào);2004年

3 曾菊敏;學(xué)習(xí)成就偉業(yè)[N];中國(guó)航空?qǐng)?bào);2006年

4 黃建中;榮獲“全國(guó)學(xué)習(xí)型先進(jìn)班組”光榮稱號(hào)[N];中國(guó)航空?qǐng)?bào);2007年

5 曾菊敏 韓景昌;六○二所航空科研取得新進(jìn)展[N];中國(guó)航空?qǐng)?bào);2008年

6 六○二所黨委工作部供稿;點(diǎn)燃科學(xué)發(fā)展之光[N];中國(guó)航空?qǐng)?bào);2009年

7 特約記者 張應(yīng)翔　通訊員 蔡沛 某陸航旅旅長(zhǎng) 成存國(guó);旋翼擦著懸崖飛[N];解放軍報(bào);2009年

8 趙暉 陳宇;單雙縱橫:直升機(jī)旋翼變化多[N];中國(guó)國(guó)防報(bào);2010年

9 梅愉;長(zhǎng)空耕“云”半世紀(jì)[N];科技日?qǐng)?bào);2005年

10 蔡金祖;“圓盤旋翼”:又一個(gè)“變形金剛”?[N];中國(guó)國(guó)防報(bào);2010年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 楊明志;四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)[D];南京航空航天大學(xué);2008年

2 陳正武;懸停旋翼氣動(dòng)噪聲數(shù)值分析方法研究[D];中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心;2008年

3 趙志敏;復(fù)合材料旋翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化與軟件實(shí)現(xiàn)[D];大連理工大學(xué);2009年

4 劉麗麗;四旋翼飛行仿真器的建模及控制方法的研究[D];中南大學(xué);2009年

5 戴衛(wèi)中;基于紅外反射的旋翼結(jié)冰探測(cè)方法的研究[D];華中科技大學(xué);2008年

6 夏鶴鳴;改進(jìn)型電控旋翼設(shè)計(jì)及槳距控制研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

7 李航;小型四旋翼飛行器實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)研究[D];大連理工大學(xué);2010年

8 鄧升平;旋翼不平衡故障試驗(yàn)及診斷方法研究[D];南京航空航天大學(xué);2010年

9 洪亮;電控旋翼時(shí)域自適應(yīng)控制研究[D];南京航空航天大學(xué);2011年

10 龐慶霈;四旋翼飛行器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定控制研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

  本文關(guān)鍵詞：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，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：259067