面向多旋翼飞行器接-打球的轨迹预测和飞行控制研究

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多旋翼飞行器由于其可操作性强、结构简单和稳定性高受到了很多研究学者的关注,被应用到很多领域上,如精准农业、电力巡检、灾区监查等,对于多旋翼的研究具有重大实际应用价值。本文基于无人机篮球竞技自演化智能系统项目,针对多旋翼接-打球进行研究,搭建了多旋翼接-打球实验平台,对多旋翼接-打球的小球运动轨迹预测、多旋翼轨迹生成和控制等问题进行了研究,并取得了以下成果。(1)多旋翼接-打球的小球运动轨迹预测。对小球运动轨迹的提前预测是完成多旋翼接-打球的基础,本文针对基于非模型的轨迹曲线拟合算法和基于模型的扩展卡尔曼滤波器算法预测精度不高的问题,提出了一种基于模型的可变参数自适应调整预测算法。该算法在扩展卡尔曼滤波器算法的基础上,将空气阻尼系数作为状态变量加入扩展卡尔曼滤波器中实现对空气阻力系数的自适应调整,提高了小球运动轨迹预测精度。(2)多旋翼接-打球的控制算法。为了保证多旋翼能精准地完成接-打球,本文基于小球与多旋翼球拍的碰撞模型和小球运动轨迹预测算法,分析多旋翼接-打球的期望状态。在此基础上,设计了一种基于Minimum Snap的多旋翼接-打球轨迹生成算法,同时设计了一种基于微分平坦的多旋翼接-打球控制算法,控制多旋翼按照生成轨迹在期望时间内以期望状态精确地飞行到接-打球位置,完成多旋翼接-打球任务。(3)多旋翼接-打球实验与分析。本文搭建了多旋翼接-打球实验平台和系统,将所研究的算法移植到该平台,分别进行了多旋翼定点追踪和轨迹追踪实验,验证了控制算法的有效性。针对飞行过程中出现的问题进行分析解决,实现了多旋翼接球和打球实验,实验结果充分验证了实验平台、系统与算法的正确性和稳定性。(4)在实现了常规多旋翼接-打球后,本文深入思考常规多旋翼螺旋桨姿态和机身姿态耦合,无法实现以任意姿态悬停接-打球的问题,设计了一种螺旋桨姿态和机身姿态解耦的新型四旋翼,从理论上验证了该四旋翼接-打球轨迹规划的可行性和有效性,为今后多旋翼相关领域的研究提供了新的研究思路和理论方案。
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