【摘 要】
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相比于无人机,带机械臂的无人机可以进行空中抓取、搬运等操作,扩大了无人机的应用范围。然而,加上机械臂后的无人机系统将变得更加复杂,机械臂与环境之间的接触,更给模型带来不确定性的变化,不易于精确的稳定控制,对整个模型的搭建提出更高的要求。为了解决带机械臂的四旋翼无人机精确轨迹控制与抓取的精确位置控制。本文设计了带机械臂的四旋翼无人机系统模型与控制方法,实现了带机械臂的四旋翼无人机精确轨迹控制与协同编
【基金项目】
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国家自然科学基金项目,基金名称“带机械臂的四旋翼无人机协同控制方法研究”；
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相比于无人机,带机械臂的无人机可以进行空中抓取、搬运等操作,扩大了无人机的应用范围。然而,加上机械臂后的无人机系统将变得更加复杂,机械臂与环境之间的接触,更给模型带来不确定性的变化,不易于精确的稳定控制,对整个模型的搭建提出更高的要求。为了解决带机械臂的四旋翼无人机精确轨迹控制与抓取的精确位置控制。本文设计了带机械臂的四旋翼无人机系统模型与控制方法,实现了带机械臂的四旋翼无人机精确轨迹控制与协同编队阻抗控制。研究内容如下:1、对无人机的飞行原理及控制方法进行了论述,建立了无人机的动力学模型,同时采用常规PID控制方法对无人机的位置和姿态进行稳定控制,并在Matlab/Simulink中搭建无人机系统模型及仿真,以验证无人机控制系统的有效性。2、带机械臂的无人机运动学和动力学模型的搭建。利用无人机和机械臂质心与大地坐标系之间的关系建立运动学模型,拉格朗日-欧拉方程建立动力学模型。并根据模型反映出各个状态量之间的关系,对这些状态量使用相对应的控制方法能够达到稳定控制带机械臂的无人机的目的。3、通过推导的带机械臂的无人机动力学模型,使用常规PID控制算法和专家PID控制算法分别进行稳定性控制。并在Matlab/Simulink中搭建模型进行仿真实验来比较两种控制算法的优越性和鲁棒性。通过仿真实验结果表明,专家PID控制方法相比于常规PID控制方法响应速度更快、稳定性更好、精确度更高。4、利用带机械臂的无人机系统模型进行扩展成多架系统模型,并对两架带臂无人机协同抓取物体飞行进行分析,要使带臂无人机协同抓取,需对机械臂加入阻抗控制,阻抗控制能够减少干扰实现柔顺性,同时对机械臂进行同步误差补偿使机械臂的轨迹控制更加精确。并对建立的带臂无人机协同阻抗控制系统进行仿真验证与比较,实验结果表明,相比于无阻抗控制,有阻抗控制的带臂无人机协同控制更加稳定,轨迹的精确度更高。本文主要对带机械臂的无人机控制系统进行设计,并首次使用专家PID控制算法对以上系统进行控制。它的应用提高了带机械臂的无人机轨迹控制精度,增加抗干扰性。同时设计协同阻抗控制器,使得带机械臂的无人机协同阻抗控制来抓取物体飞行。这对于带机械臂的无人机应用领域将会有着实际性的意义。
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