【摘 要】
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随着科学技术的发展,多旋翼无人机的用途早已不再是作为一种娱乐工具而存在,因其具有快速机动,成本低廉等众多优点,在商业、农业、工业、服务业等领域中已有广泛应用。随着“多旋翼+设备”概念的提出和不断深化,仅仅对多旋翼本身的研究已经不能满足新应用或新需求对技术要求,势必需要不断对技术的革新,才能适应该领域的发展需要。本文以“多旋翼+负载”作为研究方向,以四旋翼飞行器为载体,针对在运输飞行过程中,负载会产
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随着科学技术的发展,多旋翼无人机的用途早已不再是作为一种娱乐工具而存在,因其具有快速机动,成本低廉等众多优点,在商业、农业、工业、服务业等领域中已有广泛应用。随着“多旋翼+设备”概念的提出和不断深化,仅仅对多旋翼本身的研究已经不能满足新应用或新需求对技术要求,势必需要不断对技术的革新,才能适应该领域的发展需要。本文以“多旋翼+负载”作为研究方向,以四旋翼飞行器为载体,针对在运输飞行过程中,负载会产生过大的摆角对系统安全造成影响等问题,研究四旋翼吊挂系统的减摆控制的解决方案,以及该方向的衍生问题—如何在室外环境中不依赖光学运动捕捉系统,实现对负载摆角的测量,本文主要的工作可归纳为:（1）不同于固定绳长的四旋翼吊挂系统,本文考虑的变绳长四旋翼吊挂系统有着更加复杂的数学模型,在运输飞行过程中,绳长变化对负载的摆动特性造成的影响和绳长固定时是不同的。为了用数学方式表达出两者的差别,本文基于牛顿运动学定律,分析了吊挂系统和四旋翼之间的受力关系,建立了变绳长四旋翼吊挂系统的数学模型。该数学模型数学充分体现了除了四旋翼加速度以外,影响负载摆动特性的因素。与拉格朗日法相比,本文所用的建模方法对内部耦合关系的分析更加透彻,且计算过程中避免了大量的求导过程,极大地减小了计算量。（2）基于所建立的数学模型,分析了引起负载摆动的原因和实现摆角抑制的思路,从路径规划和前馈控制两个角度设计了四旋翼吊挂系统的减摆控制方案。前者通过设定运动过程中的相关约束合理规划四旋翼吊挂系统从起始点到目标点的飞行轨迹,使得在满足摆角不超过设定的最大范围的前提下,花费最少的时间到达目标地点,合理地协调了运输的时效性和平稳性的关系。后者是根据负载的摆动情况将摆角信号引入到前馈控制器中,并对位置控制器的输出进行补偿,通过不断调节四旋翼的姿态从而不断调节其加速度实现负载减摆的目的。（3）针对减摆控制过程中需要负载的摆角信号这一问题,讨论了在室外环境下利用双目相机测量摆角的方案。由于四旋翼吊挂系统的工作场景是室外而非室内,光学运动捕捉系统虽能胜任测量任务,但是其仅能搭建在室内环境中,故而适合用于小范围运动的实验验证,室外环境中的摆角测量仍然是一个瓶颈。本文依托于建立的数学模型,初步设计了一种基于双目视觉系统的摆角测量方案,通过对附着于缆绳末端的轻质球形标识物的识别和位置检测,获取其在负载坐标中的位置,可进一步转化为负载的摆角值。所设计的方案涉及的图像处理算法简单,对计算量的要求不高,能够较好地满足系统的实时性要求。（4）针对上述方案,分别在MATLAB和ROS中搭建了四旋翼吊挂系统的模型。在MATLAB中仿真验证了两种减摆控制方法的减摆效果,在ROS中验证了所提摆角测量方案的性能,并进行了相关的真实场景实验。
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