四旋翼无人机吊挂飞行控制研究
四旋翼无人机由于其良好的垂直起降能力和较强的机动性使得它在军事、民用领域被广泛应用。利用四旋翼无人机进行空中吊运可以轻松应对复杂地面环境，能代替传统机械工具进行搬运、投放物资等任务。四旋翼无人机本身是一个欠驱动控制系统，加上负载物的悬挂，其系统变量耦合性更强、运动特性更复杂、控制难度更大等问题也非常突出。本文主要针对四旋翼吊挂无人机定速飞行和行进间负载升降问题进行研究，探讨无人机速度控制和负载变绳长控制的具体技术问题。 本文在全面描述和分析了变量之间的关系的基础上，充分考虑了系统的自身通道阻力、外界环境干扰等不确定因素，采用拉格朗日法建立了固定绳长四旋翼无人机吊运系统的动力学模型。在此基础上，结合吊运无人机的实际应用场景，增加了吊绳长度为新的自由度，建立变绳长四旋翼无人机吊运系统动力学模型，两类模型的建立为控制设计提供了依据。 在系统模型的基础上，研究了四旋翼吊挂无人机定速飞行的控制问题。由于无人机系统本身是一个欠驱动系统，而负载的运动也只能通过无人机被动改变，使得无人机吊挂飞行系统的内动态愈加复杂，系统整体控制难度增大。本文提出双闭环的控制方案，以负载作为切入点，对摆角方程进行解耦，获得了满足负载速度目标的无人机位移加速度，在此基础上设计了包含负载速度控制和姿态角控制的外环虚拟控制器，由外环输出得到内环无人机位移控制目标，最终在双闭环的控制结构下实现负载速度跟踪。 传统的无人机货物运送包含吊挂飞行和负载升降两个独立环节，为了提高运送效率，本文提出无人机行进间负载升降的操作方案，并给出无人机轨迹跟踪、绳摆升降控制和负载摆角抑制的同步控制策略。首先定义了包含绳长、无人机位置、摆角变量的耦合误差，然后，基于系统能量转化关系设计了能量函数，从系统整体稳定性出发设计非线性反馈控制器，最后，基于李雅普诺夫理论证明了控制的稳定性，并进行了数值仿真和实物实验，验证了所提出控制的可行性和有效性。 本文所实现的吊挂无人机定速飞行和负载升降的自主控制策略，可分别应用于吊挂无人机跟踪固定时速车辆或船只以实施吊运以及在行进中同步抓取和投放等场景，为四旋翼无人机吊挂飞行控制技术的发展和应用场景拓展都做出了一定贡献。
四旋翼无人机;吊挂飞行;位移控制;虚拟控制器;负载摆角抑制
北京化工大学
硕士
控制工程
黄静雯;孟凡东
2022
中文
V249.1
2022-11-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）