桥梁检测飞行爬壁机器人气动特性及姿态控制研究

作     者：王正杰 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘朝涛

授予年度：2024年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：飞行爬壁机器人 气动分析 PID控制 滑模控制 扩张状态观测器 

摘      要：传统的桥梁检测方式依赖于人工,这种方式不仅效率低下,而且具有很高的危险性。机器人代替人工进行复杂环境作业已成为经济发展的需求和未来工业发展的趋势。本文聚焦于一种具备飞行和爬壁功能的飞行爬壁桥梁检测机器人的研究。针对机器人独特的纵列式旋翼布局方式,进行了纵列式旋翼的气动特性仿真分析,为旋翼布局与结构设计提供了依据。在结构设计的基础上,建立了飞行状态的动力学模型,对机器人的飞行运动特性进行研究。结合传统PID控制和滑模控制,设计了串级PID控制器和PID-滑模控制器。在此基础上,提出了一种改进的PID-滑模控制器,并进行了仿真验证。与未改进之前的控制器进行对比,改进后的PID-滑模控制器在控制能力和抗干扰能力上均有显著提升。本文研究内容如下: (1)本文针对飞行爬壁机器人的特殊纵列式旋翼布局进行了气动特性仿真分析。利用SolidWorks绘制了简化的旋翼模型,并将其导入ANSYS中,通过CFD(计算流体力学)技术,深入研究了旋翼间的气动特性。由于升力对飞行爬壁机器人影响最为关键,本文重点研究了旋翼间距对升力的影响。具体研究了不同横向和纵向间距下前后旋翼各自受到的升力影响。研究结果表明,在旋翼间距为2.3倍旋翼半径时,旋翼之间的相互作用有助于提供升力。 (2)针对该机器人的飞行能力进行了深入的分析。通过对其飞行状态进行运动学和动力学研究,建立了对应的动力学模型,为后续的控制器设计提供了理论基础。 (3)在控制器设计方面,参考常规四旋翼飞行器的内外环结构,即内环姿态控制,外环位置控制。基于PID控制原理,设计了串级PID控制器,并结合滑模控制原理,进一步设计了PID-滑模控制器。仿真结果表明,传统的串级PID控制器虽然能够在一定误差范围内完成基本控制任务,但在面对外部干扰时表现出较弱的抗干扰能力。相比之下,采用滑模控制的姿态控制方式显著提高了系统对外部干扰的抵抗能力。 (4)为了进一步提升控制器的性能,本文在PID-滑模控制器的基础上引入了自抗扰控制的核心技术扩张状态观测器(ESO)。通过将其与滑模控制相结合并进行改进,得到了基于ESO的PID滑模姿态控制器。随后,将此控制器与位置控制器相结合,形成了改进的PID-滑模控制器。仿真结果显示,经过改进后的PID-滑模控制器在稳定性和抗干扰能力方面均得到了显著提升。