带悬挂吊舱的八旋翼特种无人机动力学建模与控制

多旋翼无人机不仅体积小、机动性强,具备定点悬停与垂直起降的能力,而且机械结构简单,安装与维护方便,是一个理想的作业平台。近年来,其应用越来越广泛。但无人机在执行任务时,往往需要携带任务设备,携带方式一般分为两种,夹持和吊挂。目前,成熟的应用如航拍以夹持方式为主,而吊挂方式在运输物品、地雷检测等场合更具优势。但是无人机在吊挂物体飞行时,其系统稳定性会受到来自吊挂物体摆动的影响,从而限制了该方式的应用。因此,研究多旋翼无人机的吊挂飞行有利于扩展其应用范围。本文以带悬挂吊舱的八旋翼无人机为研究对象,首先建立其动力学模型,然后分析悬挂吊舱对八旋翼无人机飞行的影响,设计控制律,最后仿真验证其稳定飞行的可行性。在此基础上,搭建八旋翼无人机实验平台,实现八旋翼无人机带悬挂吊舱的稳定飞行。论文的主要研究工作及贡献如下：(1)八旋翼无人机平台搭建。首先根据项目要求,在考虑性能、负载、成本等因素的情况下,设计并搭建带悬挂吊舱的八旋翼无人机硬件平台,开发飞行控制程序。其次,设计搭建测试装置,用于电机螺旋桨系统的特性测试。(2)建立八旋翼无人机/吊舱模型。首先研究吊舱的动力学模型,分析其与八旋翼无人机之间的耦合,得出吊舱作用在八旋翼无人机上的力和力矩。其次,基于叶素法建立旋翼的动力学模型,计算八个旋翼作用在机体上的合力与合力矩。最后结合机身重力与空气阻力,运用牛顿定律,建立八旋翼无人机/吊舱的非线性模型。(3)模型分析以及控制器设计。首先对八旋翼无人机/吊舱模型进行线性化。通过线性化模型,分析悬挂吊舱对八旋翼无人机控制量及姿态的影响,并分析飞行速度、吊舱质量、绳索长度与吊舱气动力对八旋翼无人机／吊舱飞行稳定性的影响。其次,针对悬停点处的线性化模型设计控制器,根据期望性能整定参数。最后仿真验证其控制效果。(4)飞行实验验证与分析。在八旋翼无人机自身能够稳定飞行的情况下,进行了两组关键实验。其一、八旋翼无人机带排球(绳长100m)爬升至相高200m的实验,实验表明,八旋翼无人机在排球未离地及离地情况下悬停控制效果良好,达到期望要求,而且排球离地瞬间无人机各姿态过渡平稳。二、项目演示实验,即八旋翼无人机带任务设备(绳长130m)爬升至相高800m,并成功降落回收。实验过程中各项控制指标均达到要求。总之,本文建立了八旋翼无人机/吊舱模型,并且分析了八旋翼无人机带悬挂吊舱的飞行稳定性。在工程上,基于设计的八旋翼无人机/吊舱控制器,实现了无人机带悬挂吊舱的稳定飞行。因此,本文的研究工作对于八旋翼无人机的应用,具有重要的理论与工程参考意义。