四旋翼吊挂系统负载摆动抑制研究

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1、？＝分类编号：单位代码１０１６７：密级：学号２０１５０８０００５渤海大縻硕士学位论文论文题目：四旋翼吊挂系统负载摆动抑制研究ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｌｏａｄｓｗｉｎｓｕｒｅｓｓｉｏｎｔｏｒｇｐｐＱｕａｄｒｏｔｏｒｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ作者姓名：吴超凡指导教师：肖冰副教授专业名称：控制理论与控制工程研究方向：四旋翼吊挂系统学院年级：工学院２０１５级完成日期：２０１８年６月渤海大学研究生学院四旋翼吊挂系统负载摆动抑制研究[摘要

2、]近几年来，四旋翼得益于体积小、机动性强、结构简单和安全性较高的优势，能实现垂直起降、定点悬停等功能，在军用、民用及娱乐方面应用广泛。目前最热门的应用有无人机寄送快递，运输方式上除传统机身内运输和机体外配置运输盒，除此之外还有吊挂运输。采取绳索的方式，一端连着四旋翼飞行器的底部，另一端连着运输盒或吊挂物。相比传统运输方式，可携带更重的物体。利用四旋翼垂直起降和定点悬停的优点，通过定点投放，可以在不着陆的情况下，快速的执行下一个任务，提高了运输效率。然而四旋翼吊挂运输时，四旋翼自身的运动以及外界干

3、扰如风等会引起负载的摆动。当四旋翼吊挂运输到达目的地时，一旦四旋翼被要求快速停下，甚至会引起四旋翼吊挂失控，从而坠机，缓慢减速则会需要很久才能使吊挂物的摆动稳定。因此，四旋翼吊挂飞行时负载摆动的抑制，对提高运输安全及效率很有必要。本文的研究内容有1）提出了四旋翼吊挂系统的动力学模型，采用拉格朗日动力学对四旋翼吊挂系统进行动态建模，模型以四旋翼机体运动和负载摆动为主体，考虑了四旋翼与负载之间的耦合关系，建立了非线性数学模型。根据两种方式，PD控制和引入滤波器，设计对应的位置控制器和姿态控制器，实现

4、对目标点的轨迹跟踪，并比较两种方法的优劣。2）依据精确线性化理论，把吊挂物在飞行状态下的摆动作为系统的外部干扰，通过设计闭环反馈控制器以减小干扰。数学模型通过状态空间的表达方式，将原状态系统以直接和间接激励的方式，划分为直接激励的四旋翼轨迹跟踪部分和间接激励的吊挂物防摆部分。对吊挂物部分根据小扰动理论近似线性化，然后根据劳斯判据，得到控制器各增益参数取值范围。综合摆角到达平衡点所花费的时间和摆动时的幅值，选择合理的增益参数，使得该控制器优化了对四旋翼吊挂系统摆动的抑制。3）吊挂物被当做新的自由度

5、，依据吊挂物摆动的动态方程，求出自然频率和阻尼比设计输入整形控制器，输入整形技术属于主动控制的一种，使吊挂物在飞行过程中的摆动能以更小幅度，更快到达平衡状态。[关键词]：四旋翼；吊挂物；耦合；PD控制器；轨迹跟踪；抗摆；输入整形器IRESEARCHONLOADSWINGSUPPRESSIONOFQUADROTORSUSPENSIONSYSTEMABSTRACTRecently,thequad-rotorhasbeenwidelyusedinmilitary,civilandentertainme

6、ntfieldsbecauseofitssmallsize,strongmobility,simplestructureandhighsecurity.Itcanalsorealizespecialfunctionssuchasverticaltake-offandlanding,fixed-pointhoveringandsoon.Oneofthemostpopularapplicationisunmannedaerialvehicles(UAV)delivery.Traditionaltra

7、nsportationmodeareinsidethefuselageandoutsidethefuselagewithabox.Besides,thereisanothertransportationmodeishangingtransportation.Aropewithoneterminalattachedtothebottomofaquad-rotoraircraft,theotheronetoatransportboxorsuspendedload.Comparedwithtradit

8、ionaltransportationmode,hangingtransportationcancarryheavierloads.Takingadvantagesofthequad-rotorverticaltake-offandlanding,fixed-pointhovering.Throughquadrotordroptheloadinfixedpoint,itcancarryoutthenexttaskquicklywithoutlanding.Andinthisway,theeffi