帶懸掛吊艙的八旋翼特種無人機動力學建模與控制.pdf

1、多旋翼無人機不僅體積小、機動性強，具備定點懸停與垂直起降的能力，而且機械結構簡單，安裝與維護方便，是一個理想的作業(yè)平臺。近年來，其應用越來越廣泛。但無人機在執(zhí)行任務時，往往需要攜帶任務設備，攜帶方式一般分為兩種，夾持和吊掛。目前，成熟的應用如航拍以夾持方式為主，而吊掛方式在運輸物品、地雷檢測等場合更具優(yōu)勢。但是無人機在吊掛物體飛行時，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用。因此，研究多旋翼無人機的吊掛飛行有利于

2、擴展其應用范圍。
　　本文以帶懸掛吊艙的八旋翼無人機為研究對象，首先建立其動力學模型，然后分析懸掛吊艙對八旋翼無人機飛行的影響，設計控制律，最后仿真驗證其穩(wěn)定飛行的可行性。在此基礎上，搭建八旋翼無人機實驗平臺，實現(xiàn)八旋翼無人機帶懸掛吊艙的穩(wěn)定飛行。論文的主要研究工作及貢獻如下:
　　(1)八旋翼無人機平臺搭建。首先根據(jù)項目要求，在考慮性能、負載、成本等因素的情況下，設計并搭建帶懸掛吊艙的八旋翼無人機硬件平臺，開發(fā)飛行控制程序

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

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

5、下懸停控制效果良好，達到期望要求，而且排球離地瞬間無人機各姿態(tài)過渡平穩(wěn)。二、項目演示實驗，即八旋翼無人機帶任務設備（繩長130m）爬升至相高800m，并成功降落回收。實驗過程中各項控制指標均達到要求。
　　總之，本文建立了八旋翼無人機/吊艙模型，并且分析了八旋翼無人機帶懸掛吊艙的飛行穩(wěn)定性。在工程上，基于設計的八旋翼無人機/吊艙控制器，實現(xiàn)了無人機帶懸掛吊艙的穩(wěn)定飛行。因此，本文的研究工作對于八旋翼無人機的應用，具有重要的理論與工