带吊挂负载小型无人机飞行控制技术与实现

作     者：李恩广 

作者单位：黑龙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于志刚;冯洋

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：四旋翼 吊挂载荷 双目视觉 滑模控制 

摘      要：四旋翼式无人机吊挂运输系统是基于四旋翼飞机实现物资空中转运的一种重要的方式,可以实现复杂和危险环境中物资的快速转移和投递。由于外界干扰、系统不确定性以及四旋翼无人机系统的欠驱动特性,对该系统的飞行控制提出了巨大挑战。为此,本文提出了双目相机设计了一种载荷位置信息获取方案,利用微分平坦技术规划出带吊挂负载的四旋翼期望飞行轨迹,并提出了基于滑模控制思想的四旋翼飞行器欠驱动子系统与完全驱动子系统控制器的设计方法,使得四旋翼飞行器能够跟踪期望的飞行轨迹,并保证吊挂载荷摆角渐进收敛到期望角度。本文完成的主要工作包含以下三方面:(1)通过给定各个参考系之间的变换矩阵建立其变换关系,而后通过牛顿第二定律对四旋翼载荷吊挂飞行系统整体进行受力分析,在工程普遍适用的情况下同时进行一般性假设,并在此基础上使用Euler-Lagrange方法对吊挂载荷模型进行建模。从而逐步推导出可详细且相对准确描述系统的四旋翼载荷吊挂动力学模型。(2)针对四旋翼载荷吊挂飞行系统中负载位置测量的问题,提出了基于双目视觉的负载定位方法研究。通过双目相机标定获取双目相机相对变换矩阵以及内外参数。按照视差原理计算载荷相对机体深度信息,并以此计算出吊挂载荷位置信息,根据卡尔曼滤波技术对载荷位置进行预测估算从而消除载荷位置估计噪声。(3)在带吊挂载荷四旋翼无人机动力学模型的基础上,分为完全驱动控制子系统与欠驱动控制子系统。在微分平坦理论基础上提出了基于滑模控制策略的四旋翼无人机鲁棒控制方法,并运用Lyapunov第二方法对所设计的控制系统进行严格的稳定性分析。最后设计飞行实验平台并通过飞行实验对方案的有效性进行验证,同时对实验结果进行分析。