四旋翼飞行器在波浪滑翔器上动态降落系统研究

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波浪滑翔器以波浪能为前向驱动力,可以实现长周期、大范围水面设备巡检、海面信息采集、海面污染源分布探测以及水文气象观测,对我国开展海洋观测工作具有十分重要的现实意义。虽然波浪滑翔器航速较慢且海面环境因素会对采集到的数据造成影响,但四旋翼飞行器机动性强、起降简单,能够对海面中低空气象数据进行快速采样。因此将四旋翼飞行器与波浪滑翔器相结合,研发集成四旋翼飞行器的波浪滑翔器海洋观测系统不仅可以弥补波浪滑翔器的自身短板,还能克服四旋翼飞行器无法进行远海无人探测的缺点。二者结合不仅拓展了我国当前海上数据探测手段,而且还加强我国海洋资源保护、防灾减灾以及海防等相关领域的预警能力。在波浪滑翔器与四旋翼飞行器联合应用场景中,四旋翼飞行器在波浪滑翔器上的动态降落是一个技术难点。相较于陆上四旋翼飞行器的动态降落,复杂的海上环境会对四旋翼飞行器的飞行以及降落过程的稳定性造成一定影响。在四旋翼飞行器接近海面的过程中,海面效应会进一步加剧四旋翼飞行器的机体晃动,同时波浪滑翔器浮体姿态的随波晃动会降低四旋翼飞行器降落时的动态引导精度。因此如何提升四旋翼飞行器在降落过程中的稳定性和动态降落精度是四旋翼飞行器在波浪滑翔器上动态降落方面的攻关难点。针对上述技术要点,本文以实现四旋翼飞行器在波浪滑翔器浮体上精准降落为目标,从四旋翼飞行器降落引导精度和控制稳定性两方面进行相关技术研究,相关工作如下所示:(1)针对四旋翼飞行器动态降落的国内外研究现状进行了归纳与总结。对四旋翼飞行器在波浪滑翔器浮体降落过程中的关键技术问题进行了阐述,同时分析了波浪滑翔器搭载四旋翼飞行器进行海上移动观测的应用场景和现实意义。(2)研究基于自适应航迹跟踪和电磁定位补偿的四旋翼飞行器海上动态降落方法。针对四旋翼飞行器三维航迹跟踪过程中存在的解算速度慢和跟踪精度低的问题,提出了基于自适应步长的视线算法(Adaptive Step Size Line-of-sight,ASLOS)来引导四旋翼飞行器进行航迹跟踪,将三维航迹跟踪问题转化为二维航迹跟踪问题,采用自适应步长调整策略对期望航迹进行动态跟踪。针对海上动态降落引导精度低的问题,采用April Tag视觉定位系统融合电磁定位补偿的方式提升四旋翼飞行器的动态降落引导精度。通过仿真和海上试验验证了所采用的航迹跟踪方法的有效性和实时性,同时测试了April Tag视觉定位系统融合电磁定位补偿方法可以引导四旋翼飞行器在海上晃动的波浪滑翔器浮体表面快速降落。(3)研究基于自抗扰控制器(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)的内环姿态角速度控制和外环位置控制的串级控制器。利用跟踪微分器(Tracking Differentiator,TD)对输入信号进行跟踪,同时扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)对系统受到的内外扰动进行估计,然后由非线性状态误差反馈提供的虚拟控制量实现对四旋翼飞行器的控制,通过Lyapunov理论验证了串级ADRC控制器的稳定性。同时采用改进的乌鸦搜索算法对ADRC控制器的参数进行优化。通过仿真验证了所采用的控制方法能够使四旋翼飞行器的姿态以及位置控制更加精确,并且具有更出色的抗干扰能力。通过陆上和海上测试进一步检验所设计的四旋翼飞行器控制器的稳定性和抗干扰能力。
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