一種具備空中作業(yè)能力的四旋翼飛行器系統(tǒng)設計.pdf

1、具備空中作業(yè)能力的無人飛行器極大地拓展了無人飛行器可完成的任務類型，在復雜環(huán)境下危險品的拾取與清理、探測設備的布放和回收、高空設備檢測與裝配以及空中目標的捕獲等方面有著廣泛的應用前景。
　　本文設計了一款具備空中作業(yè)能力的四旋翼飛行器系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由軸距為550mm的四旋翼飛行器、臂展長為360mm的三自由度機械臂和重心調(diào)節(jié)機構(gòu)三個部分組成。其中，重心調(diào)節(jié)機構(gòu)的設計是為了減小機械臂運動對四旋翼飛行器的擾動影響。機械臂和重心調(diào)節(jié)機構(gòu)

2、對稱安裝于四旋翼機腹下方構(gòu)成空中作業(yè)裝置，整個系統(tǒng)質(zhì)量約2.5Kg，續(xù)航時間約12分鐘。在系統(tǒng)設計上將機械臂運動對四旋翼飛行器的影響視為飛行控制的擾動，對四旋翼飛行器和機械臂分別進行運動學和動力學建模，并使用相對獨立的控制器完成四旋翼飛行器的運動控制和機械臂的作業(yè)控制。此外，以消除機械臂運動引起系統(tǒng)重心變化為準則為重心調(diào)節(jié)機構(gòu)設計了控制策略。
　　為了驗證系統(tǒng)設計的合理性以及重心調(diào)節(jié)機構(gòu)及其控制策略的有效性，將所設計的系統(tǒng)模型導入

3、到SimMechanics環(huán)境中進行動力學仿真，仿真結(jié)果表明重心調(diào)節(jié)機構(gòu)及其控制策略能夠顯著減小機械臂運動過程中對四旋翼飛行器姿態(tài)控制的影響。此外，借助六維力傳感器搭建了四旋翼飛行器固定狀態(tài)下的受力測試平臺，通過研究重心調(diào)節(jié)機構(gòu)在不同工作狀態(tài)下機械臂運動對四旋翼飛行器的力作用，進一步驗證了重心調(diào)節(jié)機構(gòu)的有效性。
　　本文以Phantom Omni力反饋手控器和PC機為主端控制設備，以具備空中作業(yè)能力的四旋翼飛行器為從端設備，搭建了

4、主從端控制系統(tǒng)。在室外環(huán)境對所設計的四旋翼飛行器系統(tǒng)進行了基本運動性能測試、四旋翼飛行器定點懸停狀態(tài)下機械臂運動對飛行穩(wěn)定性影響的測試以及空中抓取輕質(zhì)物體實驗。實驗結(jié)果表明本文所設計的具備空中作業(yè)能力的四旋翼飛行器具有良好的空中運動能力，對位置控制和偏航角控制具有良好的響應效果。重心調(diào)節(jié)機構(gòu)能夠有效減小機械臂運動對四旋翼飛行器的影響，使得四旋翼飛行器位置控制精度大大提高。在空中抓取實驗中，能夠控制四旋翼飛行器以及機械臂協(xié)同運動使得機械手