旋翼机液压机械手的建模与控制器设计。

传统的旋翼无人机（R-UAV）主要用于进行监视。 在R-UAV上安装机械操纵器将产生Rotorcraft空中操纵器（RAM）系统。 RAM系统扩大了R-UAV的应用范围。 本研究提出的RAM系统由R-UAV和微型液压机械手组成。 结合两个系统的优点，此RAM系统具有增强的灵活性，并能够完成更多任务。 根据液压操纵器的工作特性，建立RAM的悬停模式动力学模型。 LQR控制器用于控制液压机械手的平面运动。 机械手的运动将对RAM系统施加耦合的力和力矩影响。 这种耦合的影响被视为对R-UAV系统的干扰，并受到鲁棒控制器的限制。 最后，通过仿真，建立的动力学模型和所提出的控制的有效性策略已验证。 ### 旋翼机液压机械手的建模与控制器设计 #### 一、引言与背景 随着技术的进步和发展，移动机器人系统（Mobile Operational Ground Robot Systems）作为一种结合了地面移动机器人和机械臂的功能复合体，在灾难救援、反恐及治安维持等场景中展现出了巨大的应用潜力。这种将机械臂的操作能力与移动机器人的机动性相结合的设计理念，极大地拓宽了机器人应用的领域。然而，随着机器人应用场景的不断扩展，人们越来越希望飞行机器人能够主动地与环境互动。 在传统设计中，大多数飞行机器人的设计目标是避免与环境接触。但是旋翼无人机（Rotorcraft Unmanned Aerial Vehicle, R-UAV）具备悬停能力和高机动性的特点，能够在危险或复杂的环境中替代人类执行任务。因此，为飞行机器人配备操作型机械臂，使其在三维复杂环境中具备主动操作能力，具有重要的实践意义。目前，关于旋翼无人机与其环境接触的研究已经成为一个热点话题，并引起了飞行机器人领域的广泛关注。 #### 二、旋翼机空中操纵器（RAM）系统 ##### 2.1 RAM系统概念 结合旋翼无人机和机械臂的概念，研究人员已经初步验证了将两者结合的可能性。例如，耶鲁大学的Aerial Manipulator项目开发了一款具备柔性夹持器的机械臂，该机械臂可以在着陆或悬停状态下抓取物体。宾夕法尼亚大学的研究则采用了参数估计的方法，来评估旋翼机空中操纵器（Rotorcraft Aerial Manipulator, RAM）在抓取负载时的不确定参数。德国宇航中心（DLR）的RAM系统搭载了一个7自由度的工业级机械臂，可以抓取地面上的长条形物体。这些例子表明，将旋翼无人机与机械臂相结合的方案已经在多个研究机构得到了验证。 ##### 2.2 动力学建模 为了更好地理解RAM系统的动态行为，本研究提出了一种基于液压操纵器特性的动力学模型。具体来说，根据液压操纵器的工作原理，构建了RAM系统的悬停模式动力学模型。这一模型考虑了机械手在不同工作状态下的力和力矩输入，以及这些输入如何影响整个系统的稳定性。 ##### 2.3 控制器设计 针对RAM系统的平面运动控制问题，研究团队采用线性二次调节器（Linear Quadratic Regulator, LQR）作为控制器。LQR是一种广泛应用的最优控制方法，它可以通过最小化一个性能指标来确定最优控制策略。在本研究中，LQR控制器被用来控制液压机械手的平面运动，确保机械手能够精确地执行预定的任务。此外，由于机械手的运动会对RAM系统产生耦合作用，导致力和力矩的影响，这种耦合作用被视为对R-UAV系统的干扰，并通过鲁棒控制器来限制其影响。 #### 三、仿真验证 为了验证所建立的动力学模型和提出的控制策略的有效性，研究团队进行了仿真实验。仿真结果表明，动力学模型能够准确地预测RAM系统的动态响应，而LQR控制器能够有效地控制机械手的运动，同时鲁棒控制器能够有效抑制由机械手运动产生的耦合作用力和力矩的干扰。这些结果显示了所提出的RAM系统在理论上的可行性和实用性。 通过将旋翼无人机与液压机械手相结合，构建出的RAM系统不仅提高了系统的灵活性和多功能性，还能够执行更加复杂的任务。未来的研究将进一步优化动力学模型和控制器设计，探索更多实际应用场景，以期将这项技术应用于更广泛的领域。