论文总字数：23742字

摘 要

随着四旋翼飞行器相关研究的快速发展，其应用领域正不断拓宽。研究者们在四旋翼飞行器上搭载可进行抓取作业的装置组成复合系统，将作业空间扩展到了三维，拓展了四旋翼飞行器能够完成的任务种类，在复杂环境下的危险物体的搬运、勘测设备的放置与回收、障碍物的移除、空中目标的抓取、工业装配等方面会有着广阔的应用前景。

本文设计了一个可进行抓取作业的四旋翼飞行器系统，该系统由四旋翼飞行器和空中作业装置（含三自由度机械臂和重心调节机构）两个子系统组成。本文对四旋翼飞行器和机械臂分别进行了运动学建模，再对复合系统进行动力学建模，完成了复合系统的运动控制和作业控制设计。针对四旋翼飞行器进行抓取作业时机械臂运动所导致的重心偏移问题，设计了重心调节机构控制系统，实现了对复合系统重心的调节。通过户外实验测试了四旋翼飞行器的运动性能以及机械臂运动时重心调节机构对复合系统重心的稳定效果，并完成了一根直径2cm、重100g的管状物空中抓取任务。

关键词：四旋翼飞行器，抓取作业，机械臂，重心调节机构

Abstract

With the rapid development of research on quadrotors, its application field has been expanded. The researchers add active manipulation device on the quadrotor to build a combined system, which expands the working space to three dimensions, and expands the types of tasks that the quadrotors can accomplish. There will be broad application prospects in transporting dangerous objects in complex environments, placing survey equipment, recycling, removing obstacles, grabbing air targets, and industrial assembly.

A quadrotor system capable of grabbing aerial targets was designed in this paper, which is combined of a quadrotor subsystem and a manipulation subsystem (including a three-degree-of-freedom robotic arm and a center-of-gravity adjustment mechanism). In this paper, the kinematics modeling of the quadrotor and robotic arm are performed respectively, and then the dynamic modeling of the combined system is performed, flight control and manipulation control for the combined system are designed. In order to solve the gravity center shift problem during the aerial manipulation of the quadrotor, a control system for the center of gravity adjustment mechanism was designed to complete the adjustment of the center of gravity of the combined system. The performance of the quadrotor was tested by outdoor experiments and the effect of the center of gravity adjustment mechanism on the center of gravity of the combined system during the movement of the robotic arm. The task of grabbing a 2cm diameter tube weighing 100g in the air was completed.

KEY WORDS: quadrotor, grabbing aerial targets, robotic arm, center of gravity adjustment mechanism

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 可进行抓取作业的四旋翼飞行器研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 本文主要研究内容 3

1.3.1 研究目的与意义 3

1.3.2 本文所做的主要工作 4

第二章 可抓取作业的四旋翼飞行器原理及建模 5

2.1 四旋翼飞行器飞行原理及建模 5

2.1.1 飞行原理 5

2.1.2 运动学模型 7

2.2 空中作业装置运动学建模 8

2.3 复合系统动力学建模 8

第三章 可抓取作业四旋翼飞行器机构设计 10

3.1 四旋翼飞行器机构设计 10

3.1.1 四旋翼飞行器整体结构 10

3.1.2 动力装置选型 11

3.1.3 主控制器模块 12

3.1.4 无线通信模块 12

3.1.5 TTL串口转485模块 13

3.2 空中作业装置设计 14

3.2.1 机械臂设计 14

3.2.2 重心调节机构 16

第四章 控制系统与程序设计 17

4.1 系统控制分析与设计 17

4.2 四旋翼飞行器的运动控制 17

4.2.1 姿态控制 18

4.2.2 位置控制 18

4.2.3 电机控制 19

4.3 空中作业装置的控制 20

4.3.1 机械臂的控制 20

4.3.2 重心调节机构的控制 20

4.4 作业装置控制程序设计 21

4.4.1 上位机程序设计 21

4.4.2 下位机程序设计 22

第五章 可抓取作业的四旋翼飞行器性能测试 23

5.1 飞行器运动性能测试 23

5.2 作业装置对四旋翼飞行器稳定性影响测试 23

5.3 空中抓取物体实验 24

第六章 总结与展望 26

6.1 本文工作总结 26

6.2 未来工作展望 26

致谢 27

参考文献 28

绪论

课题背景及意义

随着军用和民用市场的广阔应用需求，以及四旋翼本身飞行模式多样、机动灵活、操作简单、维护方便、安全可靠、便于携带等特点，四旋翼飞行器已经成为航空学术研究中的热点问题。随着精加工技术、微机电技术(MEMS) 、3D打印以及集成电路技术(IC)的进一步发展和普及，以及先进控制理论、空气动力学理论以及材料技术等相关学科的发展，复杂精巧的机械器件、精密微小的传感器元件以及高性能的微型控制器模块的设计、生产和使用变得简单方便，四旋翼飞行器有了更宽阔的发展空间。四旋翼飞行器在远程检查，监控，军事等领域具有巨大优势，特别适合在近地面环境（如室内，城区和丛林等）中执行监控，侦查等任务，在火星探测无人飞行器的研究中，四旋翼飞行器也是重要研究方向之一。

目前四旋翼飞行器的诸多应用均为了避免与环境进行接触而有一定的局限性，如果在四旋翼飞行器上安装机械臂或者各种操作装置，飞行器便可以具备空中作业能力，与地面移动机器人的移动作业相比，作业空间扩展到了三维，能够更加迅速到达地面移动机器人无法进入的复杂环境。而且与常规飞行器相比，作业型飞行器能够在对地面或空中目标进行侦查的同时，实现抓取或暂栖等操作。具有空中作业能力的四旋翼拓展了无人飞行器可完成的任务类型，在复杂环境下的危险物体的搬运、勘测设备的放置与回收、障碍物的移除、空中目标的抓取、工业装配、高空设施检测等方面会有着广阔的应用前景。

可进行抓取作业的四旋翼飞行器研究现状

国外研究现状

近十几年来，四旋翼飞行器的结构设计与控制系统研究已经逐步成熟，基于四旋翼飞行器的应用研究成为当前无人飞行器研究的热点，而具备空中作业能力和环境交互能力的旋翼型飞行器更是兴起了一波研究热潮，并取得了大量的成果。早期关于无人飞行器自主抓取的方法研究大多是针对飞行手爪系统，依赖于结构化目标对象以简化任务，作业装置通常是直接安装在飞行器的底部。卡耐基梅隆机器人研究所采用在绳索末端安装磁铁的方法完成铁质目标的抓取^[1]；耶鲁大学研究人员研制的作业型飞行机器人，能够抓取多种外形结构的地面物体，具备空中作业和主动交互的能力^[2]；图1-1是宾夕法尼亚大学设计的四旋翼飞行手爪，可以进行简单的抓取和操作实验^[3]；图1-2是南加利福尼亚大学研究人员将单自由度抓爪安装在四旋翼飞行器腹部使其具有抓取、搬运、组装结构化模块的能力^[4]。这类空中作业飞行器的作业能力十分有限，而且由于没有设计机械臂系统，作业灵活性也相当差。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：23742字