本文關(guān)鍵詞：一種飛行球形機(jī)器人若干關(guān)鍵技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：具有空中飛行和地面滾動雙運(yùn)動模式的球形機(jī)器人結(jié)合了地面球形機(jī)器人的滾動運(yùn)動特點(diǎn)與無人飛行器的垂直起降和空中飛行特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了球形機(jī)器人運(yùn)動模式的多樣化,其在工業(yè)、國防和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。由于飛行球形機(jī)器人獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與一般飛行器和球形移動機(jī)器人有明顯的不同,它既可以在空中飛行,又可以在地面上滾動,使得其相應(yīng)的飛行動力學(xué)分析、地面運(yùn)動理論、控制方法和技術(shù)等研究工作更具有挑戰(zhàn)性。因此,本論文針對飛行球形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動分析和控制方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入地研究。主要研究內(nèi)容如下： (1)針對飛行球形機(jī)器人構(gòu)型方案進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。首先提出了飛行球形機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求,對飛行球形機(jī)器人的球殼優(yōu)勢進(jìn)行分析,基于飛行球形機(jī)器人的地面滾動和垂直起降空中飛行功能提出飛行球形機(jī)器人設(shè)計(jì)方案,使得地面滾動和空中飛行兩種運(yùn)動方式有效地結(jié)合起來。然后對飛行球形機(jī)器人的兩種運(yùn)動模式的相互轉(zhuǎn)換和影響進(jìn)行了分析。針對飛行球形機(jī)器人的應(yīng)用提出飛行球形機(jī)器人的設(shè)計(jì)指標(biāo),基于該指標(biāo)對飛行球形機(jī)器人的關(guān)鍵部件進(jìn)行了選型和分析,并對飛行球形機(jī)器人的動力系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。最后考慮到碳纖維球殼對飛行球形機(jī)器人內(nèi)部裝置的保護(hù)作用,對碳纖維球殼的受力形變進(jìn)行了計(jì)算和分析,并進(jìn)行了仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了其理論分析的正確性。 (2)研究飛行球形機(jī)器人飛行姿態(tài)控制技術(shù)。首先對飛行球形機(jī)器人的飛行運(yùn)動中的坐標(biāo)系進(jìn)行定義,建立其運(yùn)動學(xué)和飛行動力學(xué)模型,針對控制舵面對飛行球形機(jī)器人的姿態(tài)控制進(jìn)行研究,基于雙閉環(huán)控制理論對其運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行控制并進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證控制方法的有效性。其次,提出機(jī)器人重心改變實(shí)現(xiàn)對飛行姿態(tài)控制的方法,根據(jù)其簡化機(jī)構(gòu)通過拉格朗日方程得出動力學(xué)模型,并采用變結(jié)構(gòu)滑�？刂品椒▽ζ溥M(jìn)行控制,通過仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了相應(yīng)的方法和結(jié)論。最后,理論分析碳纖維球殼對飛行球形機(jī)器人空中飛行升力的影響,并進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn),得出結(jié)論。 (3)研究飛行球形機(jī)器人地面滾動控制技術(shù)。首先建立了針對殼質(zhì)量分布不均的情況下網(wǎng)狀球殼前向運(yùn)動動力學(xué)模型,通過對模型的可控性分析,基于反饋線性化的前向運(yùn)動控制方法進(jìn)行了仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)。然后針對螺旋槳和長軸電機(jī)對球形飛行器的地面運(yùn)動進(jìn)行了建模,基于LQR方法對模型控制器進(jìn)行設(shè)計(jì),根據(jù)設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn),得出結(jié)論。 (4)針對飛行球形機(jī)器人在約束條件下飛行運(yùn)動控制進(jìn)行研究。首先對飛行球形機(jī)器人的兩種運(yùn)動環(huán)境進(jìn)行分析和建模：與水平表面作用模式和與垂直墻面作用模式。通過對這兩種運(yùn)動環(huán)境的分析,基于魯棒控制理論對其運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行控制,以驗(yàn)證控制方法的有效性。針對飛行球形機(jī)器人的懸停運(yùn)動進(jìn)行分析,并基于反演控制對飛行球形機(jī)器人的懸停運(yùn)動進(jìn)行了詳細(xì)的研究,最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)對飛行球形機(jī)器人的基于反演懸�？刂七\(yùn)動進(jìn)行了驗(yàn)證。 本論文從構(gòu)型、建模、運(yùn)動控制理論等方面對飛行球形機(jī)器人進(jìn)行了深入的研究,所取得的研究成果對地面和空中雙運(yùn)動模式機(jī)器人的研究提供了理論依據(jù)和技術(shù)借鑒,對多運(yùn)動模式機(jī)器人的發(fā)展有指導(dǎo)意義。
【關(guān)鍵詞】：飛行球形機(jī)器人 動力學(xué)分析 姿態(tài)調(diào)整 機(jī)器人控制
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目錄9-12
• 符號索引12-13
• 第一章 緒論13-25
• 1.1 研究背景和意義13-14
• 1.2 相關(guān)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀14-23
• 1.2.1 球形飛行器研究現(xiàn)狀14-16
• 1.2.2 球形機(jī)器人研究現(xiàn)狀16-18
• 1.2.3 空中飛行和地面運(yùn)動雙運(yùn)動模式機(jī)器人研究現(xiàn)狀18-20
• 1.2.4 無人機(jī)飛行器運(yùn)動和控制技術(shù)研究現(xiàn)狀20-22
• 1.2.5 球形機(jī)器人運(yùn)動和控制技術(shù)研究現(xiàn)狀22-23
• 1.3 本論文的研究內(nèi)容23-25
• 第二章 飛行球形機(jī)器人構(gòu)型研究和實(shí)現(xiàn)25-53
• 2.1 引言25
• 2.2 飛行球形機(jī)器人的構(gòu)型方案設(shè)計(jì)25-33
• 2.2.1 飛行球形機(jī)器人設(shè)計(jì)要求25-26
• 2.2.2 飛行球形機(jī)器人的球殼優(yōu)勢分析26
• 2.2.3 飛行球形機(jī)器人的地面運(yùn)動和空中飛行功能方案設(shè)計(jì)26-28
• 2.2.4 飛行球形機(jī)器人方案設(shè)計(jì)28-33
• 2.3 飛行球形機(jī)器人運(yùn)動模式分析33-39
• 2.3.1 飛行球形機(jī)器人空中飛行和地面運(yùn)動模式分析33-34
• 2.3.2 飛行球形機(jī)器人的空中飛行和地面運(yùn)動模式的相互轉(zhuǎn)換34-36
• 2.3.3 飛行球形機(jī)器人的運(yùn)動階段分析36-39
• 2.4 飛行球形機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析39-48
• 2.4.1 飛行球形機(jī)器人設(shè)計(jì)指標(biāo)39-40
• 2.4.2 飛行球形機(jī)器人關(guān)鍵部件選型和分析40-43
• 2.4.3 動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析43-46
• 2.4.4 飛行球形機(jī)器人樣機(jī)設(shè)計(jì)46-48
• 2.5 碳纖維網(wǎng)狀球殼形變分析48-52
• 2.5.1 球殼形變的理論分析48-50
• 2.5.2 球殼形變的仿真分析50-51
• 2.5.3 碳纖維網(wǎng)狀球殼的形變實(shí)驗(yàn)51-52
• 2.6 本章小結(jié)52-53
• 第三章 飛行球形機(jī)器人飛行控制方法研究53-93
• 3.1 引言53
• 3.2 舵面對空中飛行姿態(tài)控制方法研究53-71
• 3.2.1 飛行球形機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模53-58
• 3.2.2 飛行球形機(jī)器人的飛行動力學(xué)建模58-62
• 3.2.3 基于雙閉環(huán)控制方法的舵面對運(yùn)動姿態(tài)控制策略的研究62-65
• 3.2.4 舵面控制仿真與結(jié)果分析65-68
• 3.2.5 飛行球形機(jī)器人空中姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)研究68-71
• 3.3 重心改變對飛行姿態(tài)控制方法研究71-82
• 3.3.1 重心改變對飛行姿態(tài)影響的分析71-72
• 3.3.2 基于拉格朗日方程的重心改變動力學(xué)的建模72-75
• 3.3.3 重心改變對飛行球形機(jī)器人姿態(tài)的控制方法研究75-79
• 3.3.4 姿態(tài)控制方法仿真與分析79-81
• 3.3.5 飛行球形機(jī)器人重心控制姿態(tài)實(shí)驗(yàn)81
• 3.3.6 短軸對飛行姿態(tài)影響的分析81-82
• 3.4 網(wǎng)狀球殼對飛行球形機(jī)器人升力影響因素的分析82-86
• 3.4.1 理論分析82-84
• 3.4.2 仿真分析84
• 3.4.3 網(wǎng)狀球殼對飛行球形機(jī)器人升力影響實(shí)驗(yàn)84-86
• 3.5 飛行球形機(jī)器人室外無風(fēng)飛行實(shí)驗(yàn)86-91
• 3.5.1 飛行球形機(jī)器人飛行姿態(tài)和速度控制實(shí)驗(yàn)86-89
• 3.5.2 飛行球形機(jī)器人空中交通監(jiān)控應(yīng)用實(shí)驗(yàn)89-91
• 3.6 本章小結(jié)91-93
• 第四章 飛行球形機(jī)器人地面滾動控制方法研究93-115
• 4.1 引言93-94
• 4.2 重心改變對機(jī)器人地面滾動研究94-98
• 4.2.1 機(jī)器人系統(tǒng)模型建立94-95
• 4.2.2 網(wǎng)狀球殼對機(jī)器人運(yùn)動性能分析95-98
• 4.2.3 網(wǎng)狀球殼的球形機(jī)器人的地面滾動仿真98
• 4.3 基于反向前饋控制器的地面滾動的控制方法研究98-108
• 4.3.1 模型簡化與仿真98-100
• 4.3.2 模型可控性分析100-102
• 4.3.3 基于反饋線性化的前向運(yùn)動控制方法102-104
• 4.3.4 飛行球形機(jī)器人地面滾動實(shí)驗(yàn)研究104-108
• 4.4 螺旋槳和長軸電機(jī)對地面滾動控制方法研究108-113
• 4.4.1 螺旋槳和長軸電機(jī)產(chǎn)生的力與力矩分析109-111
• 4.4.2 基于LQR控制器設(shè)計(jì)與仿真分析111-112
• 4.4.3 球形機(jī)器人基于螺旋槳和長軸電機(jī)直線運(yùn)動實(shí)驗(yàn)112-113
• 4.5 本章小結(jié)113-115
• 第五章 飛行球形機(jī)器人在約束條件下飛行運(yùn)動控制研究115-139
• 5.1 引言115
• 5.2 對工作環(huán)境的分析115-116
• 5.3 工作環(huán)境中的動力學(xué)建模116-121
• 5.3.1 約束模型117-118
• 5.3.2 與水平表面的相互作用118-120
• 5.3.3 與垂直墻面的相互作用120-121
• 5.4 起飛和與垂直墻面的相互作用的控制研究121-127
• 5.4.1 基于H∞魯棒控制方法的飛行運(yùn)動控制策略研究121-124
• 5.4.2 基于飛行運(yùn)動控制的仿真分析124-125
• 5.4.3 飛行球形機(jī)器人飛行運(yùn)動控制試驗(yàn)研究125-127
• 5.5 飛行球形機(jī)器人懸�？刂七\(yùn)動和續(xù)航能力分析127-131
• 5.5.1 飛行球形機(jī)器人懸�？刂七\(yùn)動研究127-130
• 5.5.2 飛行球形機(jī)器人續(xù)航能力分析130-131
• 5.6 飛行球形機(jī)器人室外有風(fēng)飛行實(shí)驗(yàn)131-136
• 5.6.1 飛行球形機(jī)器人飛行姿態(tài)和速度控制實(shí)驗(yàn)131-134
• 5.6.2 飛行球形機(jī)器人農(nóng)田監(jiān)測應(yīng)用實(shí)驗(yàn)134-136
• 5.7 本章小結(jié)136-139
• 結(jié)論與展望139-143
• 結(jié)論139-140
• 展望140-143
• 參考文獻(xiàn)143-153
• 致謝153-155
• 攻讀博士期間取得的研究成果及參加課題情況155-156

【參考文獻(xiàn)】

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  本文關(guān)鍵詞：一種飛行球形機(jī)器人若干關(guān)鍵技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：348326