飞行机器人吊运系统的建模与控制方法研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 易奎1,2 |
| 答辩日期 | 2020-11-27 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 韩建达 |
| 关键词 | 飞行机器人吊运系统 单机吊运系统 多机吊运系统 接触过渡控制 载荷动态分配 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 模式识别与智能系统 |
| 其他题名 | Modeling and Control of Unmanned Aerial Vehicles Transporting a Cable-Suspended Payload |
| 英文摘要 | 随着机器人技术、控制理论的发展，飞行机器人的相关研究备受关注。飞行机器人吊运系统可以到达偏远山区或灾后现场，不需要过多考虑负载的形状、体积等，装卸物资非常方便，在森林灭火、货物运送、灾后救援等方面占据很好的应用前景。但是，飞行机器人吊运系统的研究尚不成熟，还存在诸多的科学问题，如负载突变的单机吊运系统建模与控制、飞行机器人的接触过渡控制、多机吊运系统的载荷动态分配等。为了解决上述科学问题，本文基于四旋翼飞行机器人、单机吊运系统、多机吊运系统开展了研究工作，主要内容如下：1. 针对单机吊运系统的轨迹跟踪问题，基于Newton-Euler及Euler-Lagrange方法进行整体建模，进而得到单机吊运系统的动力学模型；基于滑模控制方法设计了控制器，并选取Lyapunov函数，证明了系统的稳定性；通过计算机仿真，验证了所提控制策略的有效性。仿真结果表明，所设计的滑模控制器可以使单机吊运系统跟踪上所期望的轨迹，跟踪误差较小，可以满足控制性能需求。2. 针对负载突变的单机吊运系统，对基于Newton-Euler方法建立的四旋翼飞行机器人的动力学模型进行简化处理，得到了系统的名义模型；引入模型差，从而弥补了系统的未建模部分；将模型差与名义模型的状态相结合，构成新的扩展状态，基于卡尔曼滤波，在线估计了系统的模型差；引入最优化方法，从而基于代价函数设计了基于主动建模增强的补偿控制策略，最终的控制器包括名义控制器和补偿控制器两个部分；在四旋翼飞行机器人的对称机臂悬挂2根等长的绳子，搭建负载突变的单机吊运系统实验平台，并设计新颖的实验情节，验证了所用方法的实用性和有效性。实验结果表明，主动建模的模型输出曲线与测量曲线较为重合，主动建模弥补了名义模型的失配问题，提升了模型的准确性；基于主动建模增强的补偿控制策略能够应对单机吊运系统出现负载突变的情况，系统的位置偏移量较小，并且能够较快地回到悬停点附近，其控制效果明显优于名义控制器，提升了系统的抗干扰能力。3. 针对面向柔顺调节的飞行机器人接触过渡控制，首先对四旋翼飞行机器人进行动力学分析，并分析了自由空间下的常规控制；其次，针对飞行机器人从自由空间过渡到约束空间，分析了接触阶段以及接触过渡过程；为了使飞行机器人平稳地从自由空间过渡到约束空间，设计了基于加速度反馈的控制策略；为了展示所提方法的有效性和实用性，基于实验平台设计实验情景，针对低刚度、中刚度、高刚度三种环境下开展对照实验，验证了实验性能。实验结果表明，力控制仅仅可以应对特定场景下的接触过程，当环境刚度发生改变，系统的控制器参数则需要随之改变，若不改变控制器参数，系统则会发生振荡，无法完成平稳过渡；基于加速度反馈增强的控制策略可以适应更多刚度变化的环境，能够使得旋翼飞行机器人在多种环境下从自由空间平稳地过渡到约束空间。4. 针对多机吊运系统的载荷动态分配与控制，以双机吊运系统为例开展了相关研究，首先进行动力学建模、负载分配条件分析以及阐述控制目标；为了实现双机吊运系统的载荷动态分配与控制，基于导纳控制的思想设计控制策略；为了验证所提方法的有效性，设计了2种仿真情节进行仿真，并对结果进行了分析和讨论；为了进一步验证所提方法的实用性，设计了双机吊运系统的实验，并完成了初步实验。仿真结果表明，所提出的控制框架可以使得系统从初始位置运动到期望位置，并可以实现负载的重分配，每个飞行机器人所承载的拉力可以达到期望值，进而在某一或某些飞行机器人负载能力下降甚至出现故障时仍然能完成协同运输任务。实验结果表明，目前可以实现协同运输，系统可以从初始位置到达期望位置；负载的在线重分配实验效果还需要进一步完善。综上所述，本文主要对单机吊运系统的轨迹跟踪控制、负载突变的单机吊运系统建模与抗扰控制、面向柔顺调节的飞行机器人接触过渡控制、双机吊运系统的载荷动态分配与控制四个方面展开研究，并通过相关仿真或实验展示了所提方法的有效性和实用性。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 122页 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/27979]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_机器人学研究室 |
| 作者单位 | 1.中国科学院沈阳自动化研究所 2.中国科学院大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 易奎. 飞行机器人吊运系统的建模与控制方法研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2020. |
入库方式： OAI收割
来源：沈阳自动化研究所
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