【摘 要】
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无人机凭借其灵活性和易操作性等特性在很多领域中被广泛使用,目前,大多数应用只是建立在远距离交互的基础上。随着智能导航技术和自动控制技术的不断进步以及物流行业的蓬勃发展,带臂无人机的研究受到了相关学者的重视。但是,无人机抓取的研究存在自主性差和抓取成功率低的问题。本课题针对无人机自主抓取的精准控制系统进行研究,具体如下:（1）在四旋翼无人机上搭载一个轻质机械臂,开发了机械臂的正向运动学并将其与无人机
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无人机凭借其灵活性和易操作性等特性在很多领域中被广泛使用,目前,大多数应用只是建立在远距离交互的基础上。随着智能导航技术和自动控制技术的不断进步以及物流行业的蓬勃发展,带臂无人机的研究受到了相关学者的重视。但是,无人机抓取的研究存在自主性差和抓取成功率低的问题。本课题针对无人机自主抓取的精准控制系统进行研究,具体如下:（1）在四旋翼无人机上搭载一个轻质机械臂,开发了机械臂的正向运动学并将其与无人机的动力学模型相结合。对复合系统进行了三维动力学建模,为了减小计算开销,将模型简化为悬停模型。（2）对总体系统进行了硬软件设计,抓取装置的末端执行器采用PID控制方法,通过串口与无人机的板载计算机通信,可以实现协同控制。（3）针对四旋翼无人机室内控制精度低导致抓取失败的问题,本文基于商用无人机开发平台开发了应用于无人机抓取的姿态控制系统,控制算法采用改进的非线性模型预测控制（INMPC）完成无人机的位姿控制。分别提出了在NMPC位姿设置端加入PI实时调整期望位置值和在代价函数中加入可变加权因子,使得跟踪误差减小并且增强了算法的实时性,抓取过程状态切换慢的问题也得到了进一步改善。（4）针对近地抓取稳定性差的问题,在模型中加入地效影响因子,使得近地悬停稳定性得到提升。（5）为了验证所提算法,本文先在机器人操作系统（ROS）的Gazebo中进行物理仿真,建立了无人机和机械臂的urdf模型并验证改进算法的正确性和鲁棒性。最终在动态捕捉系统观测下完成了抓取实验,实验结果表明,所设计的控制系统飞行稳定,抓取悬停精度高。本文是对无人机抓取的探索和研究,实现了室内环境下无人机轨迹跟踪和近地悬停抓取控制,对于无人机在物流行业的应用具有较大意义。
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