带机械手的旋翼飞行机器人的稳定飞行控制

A rotorcraft flying robot equipped with a manipulator will extend its application. However, the dynamic action of the manipulation will influence the dynamics of the flying robot deeply. So the stable control of this type of flying robot is attracting the researchers recently. Based on the working scene of the flying rotot with a manipulator, it focous on two important scientific problems: the dynamics modeling of the robotic system and its stable fligh control. This proposed project will research the dynamics modeling under two differernt assumptions,the performance of the stable controller with respect to the position of the center of gravity of the mainpulator and the weight of the object, the stable trajcetory tracking controller design method. The project presents the modeling method with the combination of the Newton-Euler equation and parameters identification technique, the attitude stable controller design for the variable rotorcraft flying robot and the stable tajectory traking controller based on the Lyapunov stability theory and the nonlinear optimization technology. Finally, a hierarchical cotrol structure combined of a model-based inner loop attitude stabilizer and an outer loop path tracking controller will be used to realize the stable flight control of the robotic system in three-dimensional space through the hardware-in-the-loop simulation and flight tests.

加装机械手是拓展旋翼飞行机器人应用范围的一个重要手段。机械手的动态动作给旋翼飞行机器人的动力学特性带来了影响，因此关于此类飞行机器人系统的稳定控制是国际知名研究机构最近几年的一个研究热点。本项目将基于带机械手旋翼飞行机器人的工作情景，围绕机械手/旋翼飞行机器人复杂系统动力学模型及稳定飞行控制两大关键科学问题，重点开展两种不同假设下的系统动力学建模、姿态稳定控制器性能与机械手重心的位置及抓取物的重量之间的关系和航迹稳定跟踪控制方法研究，提出基于牛顿-欧拉方程与参数辨识相结合的建模方法、变载荷旋翼飞行机器人姿态稳定控制器设计和基于李雅普诺夫稳定性理论及非线性优化技术的旋翼飞行机器人对空间典型预定航迹的稳定跟踪控制方法。最后将设计一个分层结构的稳定飞行控制器，整合基于模型的内环姿态稳定控制器及外环航迹自适应稳定跟踪器，通过半物理仿真与实际飞行试验对系统进行验证。

加装机械手是拓展旋翼飞行机器人应用范围的一个重要手段。机械手的引入及其动作给旋翼飞行机器人的稳定飞行控制带来了挑战。本项目针对带机械手的旋翼飞行机器人的稳定飞行控制问题进行了深入研究，提出了将机械手抓持物体运动对飞行机器人的动力学模型影响分为结构参数及干扰力矩两个方面进行相对独立分析的方法，结合D-H法、桨叶叶素法及牛顿—欧拉法建立起了带机械手的旋翼飞行机器人的动力学模型。通过分析飞行机器人本身的控制能力，约束住了三自由度机械手各关节运动时产生的干扰力矩范围，并以此设定三自由度机械手两个俯仰方向关节基于时间的运动轨迹。本项目分析了所带载荷占带机械手的飞行机器人自身重量7.7%的情况下,机械手带载荷运动时对飞行机器人线性化模型参数的影响。本项目通过基于结合最小二乘法、预测误差法及遗传算法的系统辨识方法进行了飞行机器人的名义线性化模型的参数辨识，并在前述理论分析的基础上，针对线性化名义模型进行了基于扩展线性二次高斯控制、参数不确定的H∞鲁棒控制、二自由度H∞鲁棒控制及自抗扰控制方法等四种方法的速度姿态稳定控制器设计，当线性化模型参数在30%上下限变化的情况，基于扩展线性二次高斯控制及参数不确定的H∞鲁棒控制方法设计的控制器都能够镇定住模型的非稳定特征根，而二自由度H∞鲁棒控制器则不能完全镇定住参数变化的模型。在实现速度姿态稳定控制的方法中，基于扩展线性二次高斯控制器能够较快地实现目标速度、航向角速度的跟踪控制，但存在速度跟踪静差，基于自抗扰控制器的速度跟踪控制器则不存在静差。本项目组针对旋翼飞行机器人对平面预定光滑轨迹的稳定跟随控制问题，采用李雅普诺夫稳定判据进行了一类可用连续可微隐函数表示的光滑轨迹跟随控制器的设计，同时针对直线和圆这两类特定轨迹用模糊逻辑及非线性模型预测控制方法进行了控制参数的优化，提高了轨迹跟随精度，缩短了飞行时间。同时搭建了仿真实验平台，进行了控制算法的验证。