带机械爪的无人机设计与控制【全套含CAD图纸、说明书】

带机械爪的无人机设计与控制【全套含CAD图纸、说明书】,全套含CAD图纸、说明书,机械,无人机,设计,控制,全套,CAD,图纸,说明书 四旋翼无人机建模和PID控制器设计 摘要 本文提出了以四旋翼垂直起飞和着陆的（VTOL）无人机模型被称为四旋翼飞机。本文提出了一个自主旋翼飞行控制的新模型的设计方法。本文还介绍了四旋翼控制器的架构。四转子的动态模型是一个固定4俯仰角的转子欠驱动飞机。因为四旋翼飞行器结构复杂，所以它的建模不是的一件容易的工作。这样做的目的是为了尽可能开发出逼真的模型。设计了一个稳定且控制精确的模型。本文阐述一个PID（比例积分微分）控制方法以获得飞行的四转子飞行物体稳定性的发展史。该模型的四个输入力，由连接到每个转子具有固定的角度的螺旋桨提供推力。向前（向后）运动的维持是通过增加（减少）前（后）转子转速的速度同时降低（增加）后（前）转子转速，这意味着改变俯仰角。左和右运动是通过以相同的方式改变侧倾角来实现的。前部和后部电机逆时针转动而其他电动机顺时针方向转动使得偏航命令通过增加（减少）电动机逆时针转速，同时减少（增加）顺时针旋转的马达转速衍生的。 关键词：四旋翼，PID控制器，垂直起降无人机，MATLAB的。 1.引言 无人机或“无人机”，被定义为没有飞行员的飞机[1]。无人机已经被用于执 行情报，监视和侦察任务。无人机的技术是由整个系列任务来组成。无人机相对于有人驾驶系统有以下几个优势，包括增加可操作性，降低成本，减少雷达信号，更长的续航能力，以及驾驶员风险较小。在垂直起飞和着陆方面型无人机展示了进一步可操作性的特点。这些机体从起飞到着陆都很少需要人工操作。 无人驾驶飞行器（UAV），覆盖了许多民间和军事应用，包括监测，介入在恶劣的环境中，空气污染监测，和区域侦查[2]。 无人机（UAV）已经显示出越来越大的优势，这多亏了最近的技术预测，尤其是涉及仪器仪表的预测。他们尽可能以合理的成本制造强大的系统（微型无人机）该系统被赋予自主导航的能力。 在本文中，我们研究了四旋翼的行为。这种飞行机器人呈现的主要优势是有着相当简单的动态功能。的确，旋翼是一个周围放置了一个4螺旋桨主体的小的媒介。 主体包括电源和控制硬件。四个转子用于控制飞行器。四个转子的旋转速度是独立的。由于该独立性，它的可能来控制飞行器的俯仰，滚动和偏航姿态。然后，它的位移是由四个转子，其方向根据旋翼的姿态而变化的总推力产生。飞行器运动因此被控制。 至今许多已经有涉及四旋翼飞行器项目，第一个已知的悬停无人机发明与1922年[3]。在旋翼概念最近兴趣已经通过商业遥控版本，如DraganFlyer IV[4]引发。许多研究团队[5] - [8]在自主旋翼飞行器的研究上获得了显著的成功。 如今，微型无人驾驶飞机侵入几个应用领域[9]：安全（空域监控，城市和城市间交通）;自然风险管理（监测火山活动）;环保（空气污染和森林监测的测量）;介入敌对网站（放射性工作场所和扫雷）在大型基础设施（大坝，高压线和管道）的管理，农业和电影制作（空战射击）。 对比地面移动机器人，为它通常是可以限制模式运动学，空中机器人（旋翼）的控制，需要在以占重力效应和空气动力学[10]。 4转子和一个横穿主体框架：在一般情况下，现有的旋翼动态模型上的独特刚体其是限制性的假设，即不考虑该系统由五个刚体的事实的假设开发的。这使得几个方面的说明中，像陀螺效应，非常困难。此外，简化的假设通常在模型开发的早期引入并一般导致误导的解释。 II．数学建模 旋翼飞机是一种欠驱动固定螺距角四转子如图1所示。建模的飞行器，如四旋翼不是因为其复杂的结构的一个简单的任务。这样做的目的是让开发飞行器的模型尽可能真实。 在旋翼，有四个转子具有固定角度的代表四个输入力量基本上如图由各螺旋桨产生的推力。1.集体输入（U1）是各电动机的推力的总和。螺距移动是通过增加（减少）的后置马达的速度，同时减少（增加）的前电动机的速度获得。辊运动是通过增加（减少）的右马达的速度，同时减少（增加）左马达的速度相似的方式获得。偏航运动是通过增加（减少）的前部和后部电机的速度一起，同时减少（增加）的横向电机的速度一起获得。这应在保持总推力不变来完成。 每个控制器输入影响了旋翼模型的某些方面，此处U2影响侧倾角的旋转而U3在飞行过程中影响俯仰角和U4控制偏航角和U1影响该模型的高度（z轴）。 每个转子产生的时刻，以及垂直力。这些时刻已经实验观察到线性依赖于力为低速有四个输入力和六个输出状态（X，Y，Z，θ，ψ，φ）因此旋翼是一个下致动系统。两个转子的旋转方向是顺时针方向，而其他两个是逆时针方向，以平衡的时刻，并产生需要偏航运动。 各个转子产生的时刻，以及垂直力。这些时刻已经用实验观察到线性依赖于力为低速有四个输入力和六个输出状态（X，Y，Z，θ，ψ，φ）因此旋翼是一个下驱动式系统。两个转子的旋转方向是顺时针方向，而其他两个是逆时针方向，以平衡的时刻，并产生需要偏航运动。 此扭矩在重心的补偿建立由于使用了反向旋转的转子1-3和2-4。回想一下，2转子与逆时针，而转子1和3顺时针转动4打开。 为了从地球的旋翼模型移动到空间中的固定点，数学设计应取决于方向余弦矩阵如下： 在四旋翼直升机的动力学模型可以通过拉格朗日方法获得，一个简化模型给出如下[11]。 运动方程可以使用力和力矩的平衡来编写。 上述的Ki是阻力系数。在下面，我们假定阻力为零，因为拖是在低速时可以忽略不计。 重心被假设为在连杆的中间。作为重心（或向下）移动时的D单元，则角加速度变得上的力较不敏感，因此稳定性增加。稳定性也可通过向中心倾斜转子的力增加。这将降低滚动和俯仰力矩以及总垂直推力。 为方便起见，我们将定义输入为： 其中，Thi是由四个转子产生推力，并且可以被认为是真正的控制输入到系统中，和C的比例因子的力的时刻。和Ii是转动惯量相对于该轴。因此欧拉角的方程变为： 其中（x，Y，Z）是三个位置;（θ，φ，ψ）三种欧拉角，分别代表俯仰，滚动和偏转; g为重心加速度;I为直升机的一半的长度;m为直升机的总质量; Ii是相对于该轴转动惯量; Ki为阻力系数。 这四旋翼直升机模型具有六个输出（X，Y，Z，θ，ψ，φ），而它仅具有四个独立输入，因此，旋翼是一个下驱动式系统。我们不能够同时控制所有状态。一个可能的控制的输出组合可以是X，Y，Z和φ以跟踪期望的位置，移动到任意的航向并稳定其他两个角度，它引入了零动态稳定在系统[11]，[5]。一个好的控制器应能达到所期望的位置和所期望的偏转角，同时保持俯仰和滚动角不变。 通过运用勾股定理和实施一些假设，并取消如下： 1--该旋翼结构是对称的刚性。 2--飞行器的惯性矩阵（I）中是非常小的，也可以忽略不计。 3--质量与中心O'一致。 4--螺旋桨是刚性的。 5--推力和阻力正比于螺旋桨速度的平方。 这些上述方程已建立假设结构是刚性的，并从螺旋桨旋转所产生的陀螺效应已被忽略不计。 Phi（φd）和（ψd）可在下列表达式中提取： 通过提供四个马达与所需的电压，在这里系统推力与这些电压成正比，每当增加电压，电机增加推力，反之亦然。 III．PID控制设计 比例积分微分（PID）设计在许多参考文献中，例如[13]，该PID控制器仅可与像旋翼高性能设备相对较小时间延迟地方中使用。该控制器需要许多结构，但最重要的一条，如下表： 其中，u（t）是输入信号的设备模型，误差信号e（t）被定义为 和r（t）为参照的输入信号。 在本文中，对于旋翼PID控制器是根据响应速度快开发的。使用这种方法的一个递归算法的控制规律的合成，所有涉及跟踪误差的计算步骤被简化。 控制器的选择的一个其它方面取决于无人机的控制的方法。它可以是模式或基于非模式为主。对于模式为基础的控制器，需要对每个状态的独立控制器，以及更高层次的控制装置确定如何将这些交互。另一方面为一种非模式为基础的控制器，一个单独控制器控制所有状态的在一起。 然而，通过控制策略归纳为两个子系统的控制;第一个涉及位置控制，而第二个是姿态控制的。 上述旋翼模型可分为两个子系统： 一个全驱动的子系统S1提供的垂直位置z和偏航角（z和ψ）的动态。 一个启动子系统S2之下表示欠驱动子系统赋予水平位置（X，Y）与俯仰和滚动角的动态关系。 由于阻力是在低速时非常小，在上述方程中的阻力方面可以被认为是小的干扰的系统。 PID控制与输入U1，U2，U3，U4和输出φ，θ，ψ和间Zd应用于上述公式。虽然这些方法是相当成功的，在控制非线性系统仿射局部分析他们通常不能为一个全局分析和非线性系统对照[12]的非仿射工作。 为完全致动子系统，我们可以建立一个速率包围的PID控制器移动状态z和φ，θ，ψ到其所需的值。 IV．结果与模拟研究 标称参数和旋翼为模拟的初始条件是： 在图3所示的提议的各项控制算法，这是所有的控制器，输入，速度参考值和组成推力的内在联系，在四旋翼系统处于通过为高度和（z轴）的阶梯函数供给这是受三个步骤输入在（3,10，20）和响应产量如在图4，其是包含可见一些短暂的上冲以及另一个用于偏航角（ψ）其经受5秒后到步骤输入如图图6和侧倾角（φ），其是后3秒响应因为它可在图5中可以看出，倾斜角响应示在图7中其中5％过冲时进行到步骤输入。这些瞬态干扰是由于很多原因，如一个特定设计的一些力学参数和控制器的设计的简单化。 模拟结果表明，将PID控制器能够有力地稳定四旋翼直升机，并将其与所期望的偏航角移动到期望的位置，同时保持间距和辊角为零。这里在本设计中，它很容易并具有快速响应时间，可以得到θ（俯仰角）到其期望值。 在本系统中使用PID控制器的原因是为了控制z，这是这种变化的其他参数敏感性。 通过使用所提出的PID控制器的方法策略。良好的性能可以从四旋翼的响应速度被示出;尽管在高度响应的尖峰被除去，该系统的瞬时响应变得更快。响应的相同的速度也可以被看作在偏转，俯仰和横滚角图4，图5，图6的控制。 V.结论 在此，提出了一种PID控制器算法来控制四旋翼系统的设计。飞行器的模型首先被修改为简化控制器的设计;不同的状态空间在论文中描述。得到的系统和控制器的数学模型被转换成各自的的SIMULINK仿真模型为便于模拟和系统的研究。这些导致的SIMULINK仿真模型已经准备好被其他研究人员现在作为文献并没有清楚地解释四旋翼建模或提供一个工作模型和控制器。