飞行吸附机器人状态切换控制研究.pdf

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1、第32卷第11期计算机仿真2015年11月文章编号：1006—9348(2015)11—0358—05飞行吸附机器人状态切换控制研究胡闰婷，刘永(南京理工大学计算机科学与工程学院，江苏南京210094)摘要：针对普通飞行器都存在工作时间短的问题，设计了一种具有飞行和吸附功能的两栖机器人。针对两栖机器人在吸附到飞行的状态的切换过程中会因重力加速度的作用迅速坠落，而导致损坏，对飞行器从吸附到飞行的状态切换控制进行研究。首先建立飞行吸附机器人的动力学模型和吸附系统的泄漏模型，进而分析切换控制的条件。然后通过利用PID控制和优化控制

2、进行对比与仿真．结果表明，PID控制对速度上的控制有很好的效果，而优化控制比简单的PID控制能更好地平衡最大位移与时间的关系。关键词：飞行吸附机器人；飞行状态；吸附状态；速度控制；位移中图分类号：TP273．2文献标识码：BStudyofStateSwitchControlforFIyingandPerchingRobotHURun-ting，LIUYong(CollegeofComputerScience＆Technology，N肌jingUniversityofScience＆Technology，N删ingJiangs

3、u210094，China)ABSTRACT：Forgeneralaircraft，thereisaproblemofshortworktime，SOwehavedesignedaflyingandperchingrobot．Theflyingandperchingrobotmayquicklyfallandcausedamageintheswitchingprocessofthestatusofad-sorptiontothestatusofflyingbecauseoftheactionofgravityaccelera

4、tion．Tosolvethisproblem，thispaperstudiestheswitchingcontroloftheaircraftfromadsorptiontothestateofflying．Firstly，weestablishthedynamicmodeloftherobotandtheleakagemodelofadsorptionsystem，andthenanalyzetheconditionsofswitching．AftercomparisonandsimulationbyusingPIDco

5、ntrolandoptimizationcontrol，itCanbeseenthatPIDcontrolforspeedhasgoodcon-troleffect，whileoptimizationcontrolisbetterthanthesimplePIDcontroltobalancetherelationshipbetweenthemaximaldisplacementandtime．KEYWORDS：Perchingandflyingrobot；Flyingstate；Perchingstate；Speedcon

6、trol；Displacement1引言随着机器人的发展和技术的不断提高，机器人已被应用在生活和生产各个方面，特别是在危险、恶劣和极限环境下，能够代替人们从事各种各样的工作¨儿“。四旋翼飞行器是一种结构简单、可垂直起降的、多旋翼式飞行器"1，特别适合在近地面环境执行搜寻和侦查任务，在民用和军事领域都有着广泛的应用前景，但这种飞行器有负载的限制，续航能力有限的缺点。为了改善这种不足，我们将爬壁机器人”儿副的吸附能力与飞行器的结合，设计出了一种新型的两栖机器人，飞行吸附机器人(如图1)。飞行吸附机器人具有飞行和吸附两种工作状态，

7、并能实现这两种状态的任意切换M儿“。具有吸附功能的飞行吸附机器人弥补了一般飞行器功耗大，工作时间短的不足，同时基金项目：国家自然科学基金资助项目(61175082)；国家自然科学基金资助项目(61473155)收稿日期：2014—11-24．--——358·--——克服了爬壁机器人行动不灵活，越障困难的问题，能在空间内自由飞行，并飞行到指定位置吸附，进行秘密侦查和稳定拍摄等工作。飞行吸附机器人的自主控制主要包括飞行控制，飞行到吸附的切换控制和吸附到飞行的切换控制这三个方面。飞行控制与普通四旋翼飞行器的控制类似，比较典型的控制

8、方法有PID控制、线性二次型最优调节控制(LQR)、滑模控制、反步控制悼儿引等。飞行吸附机器人从飞行到吸附的过程中，采用阻抗控制¨叫会产生稳定的恒定的推力，当飞行器能与壁面稳定接触时，飞行吸附机器人的吸附装置快速产生吸力，从而提高吸附的成功率和效率。从吸附到飞行的过程并不能简单的看成飞行到