带悬挂吊舱的八旋翼特种无人机动力学建模与控制

发布时间：2017-08-12 04:36

  本文关键词：带悬挂吊舱的八旋翼特种无人机动力学建模与控制

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【摘要】：多旋翼无人机不仅体积小、机动性强,具备定点悬停与垂直起降的能力,而且机械结构简单,安装与维护方便,是一个理想的作业平台。近年来,其应用越来越广泛。但无人机在执行任务时,往往需要携带任务设备,携带方式一般分为两种,夹持和吊挂。目前,成熟的应用如航拍以夹持方式为主,而吊挂方式在运输物品、地雷检测等场合更具优势。但是无人机在吊挂物体飞行时,其系统稳定性会受到来自吊挂物体摆动的影响,从而限制了该方式的应用。因此,研究多旋翼无人机的吊挂飞行有利于扩展其应用范围。本文以带悬挂吊舱的八旋翼无人机为研究对象,首先建立其动力学模型,然后分析悬挂吊舱对八旋翼无人机飞行的影响,设计控制律,最后仿真验证其稳定飞行的可行性。在此基础上,搭建八旋翼无人机实验平台,实现八旋翼无人机带悬挂吊舱的稳定飞行。论文的主要研究工作及贡献如下：(1)八旋翼无人机平台搭建。首先根据项目要求,在考虑性能、负载、成本等因素的情况下,设计并搭建带悬挂吊舱的八旋翼无人机硬件平台,开发飞行控制程序。其次,设计搭建测试装置,用于电机螺旋桨系统的特性测试。(2)建立八旋翼无人机/吊舱模型。首先研究吊舱的动力学模型,分析其与八旋翼无人机之间的耦合,得出吊舱作用在八旋翼无人机上的力和力矩。其次,基于叶素法建立旋翼的动力学模型,计算八个旋翼作用在机体上的合力与合力矩。最后结合机身重力与空气阻力,运用牛顿定律,建立八旋翼无人机/吊舱的非线性模型。(3)模型分析以及控制器设计。首先对八旋翼无人机/吊舱模型进行线性化。通过线性化模型,分析悬挂吊舱对八旋翼无人机控制量及姿态的影响,并分析飞行速度、吊舱质量、绳索长度与吊舱气动力对八旋翼无人机／吊舱飞行稳定性的影响。其次,针对悬停点处的线性化模型设计控制器,根据期望性能整定参数。最后仿真验证其控制效果。(4)飞行实验验证与分析。在八旋翼无人机自身能够稳定飞行的情况下,进行了两组关键实验。其一、八旋翼无人机带排球(绳长100m)爬升至相高200m的实验,实验表明,八旋翼无人机在排球未离地及离地情况下悬停控制效果良好,达到期望要求,而且排球离地瞬间无人机各姿态过渡平稳。二、项目演示实验,即八旋翼无人机带任务设备(绳长130m)爬升至相高800m,并成功降落回收。实验过程中各项控制指标均达到要求。总之,本文建立了八旋翼无人机/吊舱模型,并且分析了八旋翼无人机带悬挂吊舱的飞行稳定性。在工程上,基于设计的八旋翼无人机/吊舱控制器,实现了无人机带悬挂吊舱的稳定飞行。因此,本文的研究工作对于八旋翼无人机的应用,具有重要的理论与工程参考意义。
【关键词】：八旋翼无人机 悬挂吊舱 建模 运动分析 PID串级控制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V279
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 符号表12-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 研究背景与意义16-18
• 1.2 吊挂飞行研究现状18-21
• 1.2.1 有人直升机吊挂飞行18-19
• 1.2.2 无人直升机吊挂飞行19-21
• 1.2.3 多旋翼无人机吊挂飞行21
• 1.3 课题来源21
• 1.4 研究思路及技术难点21-22
• 1.5 主要研究工作及章节安排22-26
• 1.5.1 研究工作22-23
• 1.5.2 论文章节安排23-26
• 第二章 八旋翼无人机系统平台26-40
• 2.1 系统平台26-29
• 2.1.1 平台简介26
• 2.1.2 总体设计26-29
• 2.1.3 系统框架29
• 2.2 系统硬件平台29-34
• 2.2.1 飞行控制电路29-34
• 2.2.2 供电系统34
• 2.3 系统软件架构34-38
• 2.3.1 飞行控制软件34-37
• 2.3.2 地面操作系统37-38
• 2.4 本章小结38-40
• 第三章 带悬挂吊舱的八旋翼无人机建模40-58
• 3.1 相关坐标系40-43
• 3.1.1 坐标系定义40-41
• 3.1.2 坐标系间的转换41-43
• 3.2 吊舱动力学模型43-45
• 3.2.1 吊舱运动特性分析43
• 3.2.2 吊舱动力学建模假设43
• 3.2.3 吊舱运动方程43-45
• 3.3 电机螺旋桨系统建模45-54
• 3.3.1 测量平台简介45-48
• 3.3.2 单个旋翼气动力和力矩48-53
• 3.3.3 旋翼气动合力和合力矩53-54
• 3.4 八旋翼无人机/吊舱动力学建模54-56
• 3.4.1 平动方程54-55
• 3.4.2 转动方程55
• 3.4.3 八旋翼无人机/吊舱模型具体形式55-56
• 3.5 本章小结56-58
• 第四章 带悬挂吊舱的八旋翼无人机运动分析及控制器设计58-80
• 4.1 仿真平台搭建58-60
• 4.2 八旋翼无人机/吊舱模型配平及线性化60-63
• 4.3 悬挂吊舱对八旋翼无人机飞行的影响63-70
• 4.3.1 吊舱对八旋翼无人机控制量及姿态的影响63-66
• 4.3.2 飞行速度对吊挂飞行的影响66-67
• 4.3.3 吊舱质量对吊挂飞行的影响67-68
• 4.3.4 绳索长度对吊挂飞行的影响68-69
• 4.3.5 吊舱气动力对吊挂飞行的影响69-70
• 4.4 控制器设计70-78
• 4.4.1 控制器结构70-71
• 4.4.2 各通道控制器设计71-76
• 4.4.3 仿真验证76-78
• 4.5 本章小结78-80
• 第五章 带悬挂吊舱的八旋翼无人机飞行控制实验验证80-90
• 5.1 八旋翼无人机带排球200米相高飞行实验80-86
• 5.1.1 实验过程描述80-82
• 5.1.2 悬停模态分析82-85
• 5.1.3 排球离地状况85-86
• 5.2 八旋翼无人机带任务设备800米相高飞行实验86-89
• 5.3 本章小结89-90
• 第六章 全文总结与展望90-92
• 6.1 论文总结90-91
• 6.2 研究展望91-92
• 参考文献92-96
• 作者简介96
• 作者攻读硕士期间完成的科研成果96

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本文编号：659825