一種具備空中作業(yè)能力的四旋翼飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、具備空中作業(yè)能力的無(wú)人飛行器極大地拓展了無(wú)人飛行器可完成的任務(wù)類(lèi)型，在復(fù)雜環(huán)境下危險(xiǎn)品的拾取與清理、探測(cè)設(shè)備的布放和回收、高空設(shè)備檢測(cè)與裝配以及空中目標(biāo)的捕獲等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文設(shè)計(jì)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(zhǎng)為360mm的三自由度機(jī)械臂和重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)三個(gè)部分組成。其中，重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了減小機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)對(duì)四旋翼飛行器的擾動(dòng)影響。機(jī)械臂和重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2、對(duì)稱(chēng)安裝于四旋翼機(jī)腹下方構(gòu)成空中作業(yè)裝置，整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量約2.5Kg，續(xù)航時(shí)間約12分鐘。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上將機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)對(duì)四旋翼飛行器的影響視為飛行控制的擾動(dòng)，對(duì)四旋翼飛行器和機(jī)械臂分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模，并使用相對(duì)獨(dú)立的控制器完成四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)械臂的作業(yè)控制。此外，以消除機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)引起系統(tǒng)重心變化為準(zhǔn)則為重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了控制策略。
　　為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性以及重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及其控制策略的有效性，將所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型導(dǎo)入

3、到SimMechanics環(huán)境中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，仿真結(jié)果表明重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及其控制策略能夠顯著減小機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)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(cè)試平臺(tái)，通過(guò)研究重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在不同工作狀態(tài)下機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)對(duì)四旋翼飛行器的力作用，進(jìn)一步驗(yàn)證了重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的有效性。
　　本文以Phantom Omni力反饋手控器和PC機(jī)為主端控制設(shè)備，以具備空中作業(yè)能力的四旋翼飛行器為從端設(shè)備，搭建了

4、主從端控制系統(tǒng)。在室外環(huán)境對(duì)所設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器系統(tǒng)進(jìn)行了基本運(yùn)動(dòng)性能測(cè)試、四旋翼飛行器定點(diǎn)懸停狀態(tài)下機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)對(duì)飛行穩(wěn)定性影響的測(cè)試以及空中抓取輕質(zhì)物體實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)能力，對(duì)位置控制和偏航角控制具有良好的響應(yīng)效果。重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能夠有效減小機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)對(duì)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(shí)驗(yàn)中，能夠控制四旋翼飛行器以及機(jī)械臂協(xié)同運(yùn)動(dòng)使得機(jī)械手