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飞行吸附机器人的自主控制技术研究

作　者: 孙国辛
导　师: 刘永
学　校: 南京理工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 飞行吸附机器人吸附机制低功耗优化阻抗控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 28次
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内容摘要

目前,世界发达国家投入了大量经费研究地面移动机器人如Bigdog、Packbot等,以及空中飞行机器人,这些机器人各有优势,但都有其局限性,因此开展具有飞行、吸附能力的机器人研究具有重大的科学意义和理论价值。受蝙蝠类动物的启发,本文提出了一种飞行吸附机器人,该机器人拥有飞行的能力,所以它可以远距离快速移动；同时它也具备吸附能力,因此它可以低功耗栖息在目标物体的表面。本文提出的机器人主要由微型四旋翼结构和小型吸附装置组成。因为本文设计的吸附装置重量轻,效率高,因此开发的机器人不仅能够长距离飞行、越障,也可以以较低功耗栖息在壁面,而这些非常适用于工业以及军事上执行相关危险任务,如高层建筑的侦察等。为了进一步深化研究围绕该机器人的科学问题,在系统设计时对多个方面进行了讨论,主要包括飞行机制、吸附机制、系统集成和控制系统设计等,并详细介绍了离心泵吸附装置和真空泵吸附装置的开发,同时对比较前沿的静电吸附进行了研究。为了进一步降低功耗,本文同时进行了结构优化和吸附优化。在此基础上,本文开发了几种飞行吸附机器人原型,并实际验证了设计思路的正确性。在飞行、吸附两种模态转换瞬态过程中,由于外力的约束导致正常飞行控制规律不再适用,且很容易损坏机器人。本文旨在提出一种柔性力控制方法,使得飞行吸附机器人可以平滑与壁面接触。因此本文首先建立了该机器人的动力学模型,并设计了阻抗控制方法,用以调整机器人与壁面环境的接触力。该机器人执行相关任务可以按顺序分为几个阶段。首先,通过位置控制使机器人逐渐靠近预定目标,并尝试接触；然后,控制机器人以恒定力与壁面接触。本文通过仿真实验验证了所提控制算法的可行性。最后对所开发的飞行吸附机器人原型进行多次飞行吸附实验,根据实验结果,调整控制参数和进一步改进机器人结构,最终实现了机器人多方位的飞行吸附。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
1 绪论  8-14
  1.1 课题研究背景及意义  8
  1.2 国内外研究现状及分析  8-12
  1.3 本论文的主要内容  12-14
2 飞行吸附机器人总体设计  14-24
  2.1 系统结构原理  14-15
  2.2 飞行机制选择与结构设计  15-17
    2.2.1 飞行机制研究  15-16
    2.2.2 飞行吸附机器人的结构设计  16-17
  2.3 控制系统总体设计  17-18
  2.4 飞行吸附机器人硬件组成  18-22
    2.4.1 中央控制单元  18
    2.4.2 姿态测量单元  18-19
    2.4.3 距离传感器  19-20
    2.4.4 无线数传模块  20-22
  2.5 系统软件设计  22-23
  2.6 本章小结  23-24
3 吸附装置开发  24-35
  3.1 负压吸附装置开发  24-27
    3.1.1 负压吸附原理  24-25
    3.1.2 离心泵吸附装置开发  25-26
    3.1.3 真空隔膜泵吸附装置开发  26
    3.1.4 基于负压吸附装置的原型机开发及实验  26-27
  3.2 静电吸附研究  27-33
    3.2.1 静电吸附原理及基本结构  27-30
    3.2.2 实验平台搭建与实验测试  30-33
  3.3 本章小结  33-35
4 优化设计  35-47
  4.1 结构优化  35-37
  4.2 吸附功耗优化  37-39
  4.3 低功耗设计  39-41
  4.4 吸附实验  41-46
  4.5 本章小结  46-47
5 系统控制  47-55
  5.1 飞行吸附机器人动力学建模  48-50
  5.2 控制算法设计  50-52
  5.3 仿真与实验  52-55
6 总结与展望  55-57
致谢  57-58
参考文献  58-61
附录  61

飞行吸附机器人的自主控制技术研究

内容摘要

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