论文部分内容阅读
随着科学技术的快速发展，旋翼无人机在许多领域取得成功的应用。但是，目前无人机主要执行的是航拍等“被动”型的任务，无法对环境物体进行抓取、维修等“主动”操作，限制了其应用范围和优势的发挥。主动作业型无人机是指由无人机与作业装置(如：机械臂)共同组成的具有主动作业能力的一种新型无人机系统。主动作业型无人机可应用在小型危险品的拾取与搬运、空中物流运输和高空设备维检等方面，具有广阔的应用前景。
旋翼飞行机械臂系统是将多自由度机械臂固连在无人机平台上而组成的一种特殊的主动作业型无人机，兼备了无人机的灵活性与机械臂的主动作业能力。由于机械臂与无人机平台之间的紧密耦合，机械臂的运动会导致系统重心的偏移，对无人机平台产生反作用力与力矩，影响系统的稳定性，因此，旋翼飞行机械臂系统的稳定控制研究面临着诸多困难。本课题对旋翼飞行机械臂系统的稳定控制进行了研究。
首先，本课题分别对四旋翼无人机和三自由度机械臂进行数学建模，建立旋翼飞行机械臂系统的运动学和动力学模型，该模型为系统的控制提供理论基础。
其次，采用分离式控制策略，分别为无人机和机械臂设计单独的控制器。根据机械臂运动轨迹设计动态重心补偿器，构造出基于动态重心补偿的ADRC控制器，减弱机械臂的运动对无人机控制性能的影响，提高系统的稳定性与抗干扰性。
然后，在Simulink中搭建旋翼飞行机械臂的仿真模型，采用基于动态重心补偿的ADRC姿态控制算法完成定点悬停抗干扰和轨迹跟踪的仿真实验，并与PID算法进行对比实验，验证了算法的可靠性。
最后，搭建旋翼飞行机械臂系统的软硬件平台，通过频域辨识的方法，辨识出无人机的传递函数模型，给出ADRC控制器参数整定方法。基于该平台进行姿态定高抗干扰实验和室内自主执行任务的飞行实验。通过对实验数据的分析，证明本课题所研究的基于动态重心补偿的ADRC控制算法对旋翼飞行机械臂系统的控制具有良好的稳定性与抗干扰性。
旋翼飞行机械臂系统是将多自由度机械臂固连在无人机平台上而组成的一种特殊的主动作业型无人机，兼备了无人机的灵活性与机械臂的主动作业能力。由于机械臂与无人机平台之间的紧密耦合，机械臂的运动会导致系统重心的偏移，对无人机平台产生反作用力与力矩，影响系统的稳定性，因此，旋翼飞行机械臂系统的稳定控制研究面临着诸多困难。本课题对旋翼飞行机械臂系统的稳定控制进行了研究。
首先，本课题分别对四旋翼无人机和三自由度机械臂进行数学建模，建立旋翼飞行机械臂系统的运动学和动力学模型，该模型为系统的控制提供理论基础。
其次，采用分离式控制策略，分别为无人机和机械臂设计单独的控制器。根据机械臂运动轨迹设计动态重心补偿器，构造出基于动态重心补偿的ADRC控制器，减弱机械臂的运动对无人机控制性能的影响，提高系统的稳定性与抗干扰性。
然后，在Simulink中搭建旋翼飞行机械臂的仿真模型，采用基于动态重心补偿的ADRC姿态控制算法完成定点悬停抗干扰和轨迹跟踪的仿真实验，并与PID算法进行对比实验，验证了算法的可靠性。
最后，搭建旋翼飞行机械臂系统的软硬件平台，通过频域辨识的方法，辨识出无人机的传递函数模型，给出ADRC控制器参数整定方法。基于该平台进行姿态定高抗干扰实验和室内自主执行任务的飞行实验。通过对实验数据的分析，证明本课题所研究的基于动态重心补偿的ADRC控制算法对旋翼飞行机械臂系统的控制具有良好的稳定性与抗干扰性。