帶懸掛吊艙的八旋翼特種無人機(jī)動力學(xué)建模與控制.pdf

1、多旋翼無人機(jī)不僅體積小、機(jī)動性強(qiáng)，具備定點(diǎn)懸停與垂直起降的能力，而且機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，安裝與維護(hù)方便，是一個(gè)理想的作業(yè)平臺。近年來，其應(yīng)用越來越廣泛。但無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，往往需要攜帶任務(wù)設(shè)備，攜帶方式一般分為兩種，夾持和吊掛。目前，成熟的應(yīng)用如航拍以夾持方式為主，而吊掛方式在運(yùn)輸物品、地雷檢測等場合更具優(yōu)勢。但是無人機(jī)在吊掛物體飛行時(shí)，其系統(tǒng)穩(wěn)定性會受到來自吊掛物體擺動的影響，從而限制了該方式的應(yīng)用。因此，研究多旋翼無人機(jī)的吊掛飛行有利于

2、擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。
　　本文以帶懸掛吊艙的八旋翼無人機(jī)為研究對象，首先建立其動力學(xué)模型，然后分析懸掛吊艙對八旋翼無人機(jī)飛行的影響，設(shè)計(jì)控制律，最后仿真驗(yàn)證其穩(wěn)定飛行的可行性。在此基礎(chǔ)上，搭建八旋翼無人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)八旋翼無人機(jī)帶懸掛吊艙的穩(wěn)定飛行。論文的主要研究工作及貢獻(xiàn)如下:
　　(1)八旋翼無人機(jī)平臺搭建。首先根據(jù)項(xiàng)目要求，在考慮性能、負(fù)載、成本等因素的情況下，設(shè)計(jì)并搭建帶懸掛吊艙的八旋翼無人機(jī)硬件平臺，開發(fā)飛行控制程序

3、。其次，設(shè)計(jì)搭建測試裝置，用于電機(jī)螺旋槳系統(tǒng)的特性測試。
　　(2)建立八旋翼無人機(jī)/吊艙模型。首先研究吊艙的動力學(xué)模型，分析其與八旋翼無人機(jī)之間的耦合，得出吊艙作用在八旋翼無人機(jī)上的力和力矩。其次，基于葉素法建立旋翼的動力學(xué)模型，計(jì)算八個(gè)旋翼作用在機(jī)體上的合力與合力矩。最后結(jié)合機(jī)身重力與空氣阻力，運(yùn)用牛頓定律，建立八旋翼無人機(jī)/吊艙的非線性模型。
　　(3)模型分析以及控制器設(shè)計(jì)。首先對八旋翼無人機(jī)/吊艙模型進(jìn)行線性化。通

4、過線性化模型，分析懸掛吊艙對八旋翼無人機(jī)控制量及姿態(tài)的影響，并分析飛行速度、吊艙質(zhì)量、繩索長度與吊艙氣動力對八旋翼無人機(jī)/吊艙飛行穩(wěn)定性的影響。其次，針對懸停點(diǎn)處的線性化模型設(shè)計(jì)控制器，根據(jù)期望性能整定參數(shù)。最后仿真驗(yàn)證其控制效果。
　　(4)飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析。在八旋翼無人機(jī)自身能夠穩(wěn)定飛行的情況下，進(jìn)行了兩組關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)。其一、八旋翼無人機(jī)帶排球（繩長100m）爬升至相高200m的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，八旋翼無人機(jī)在排球未離地及離地情況

5、下懸?？刂菩Ч己?，達(dá)到期望要求，而且排球離地瞬間無人機(jī)各姿態(tài)過渡平穩(wěn)。二、項(xiàng)目演示實(shí)驗(yàn)，即八旋翼無人機(jī)帶任務(wù)設(shè)備（繩長130m）爬升至相高800m，并成功降落回收。實(shí)驗(yàn)過程中各項(xiàng)控制指標(biāo)均達(dá)到要求。
　　總之，本文建立了八旋翼無人機(jī)/吊艙模型，并且分析了八旋翼無人機(jī)帶懸掛吊艙的飛行穩(wěn)定性。在工程上，基于設(shè)計(jì)的八旋翼無人機(jī)/吊艙控制器，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)帶懸掛吊艙的穩(wěn)定飛行。因此，本文的研究工作對于八旋翼無人機(jī)的應(yīng)用，具有重要的理論與工