多飞行机器人吊运系统研究进展及挑战.docx资源-CSDN文库

版权申诉

文档资料

177 浏览量 2022-11-03 11:32:29 上传评论收藏 171KB DOCX 举报

资源推荐

资源详情

资源评论

0 引言

多飞行机器人吊运系统由多个旋翼飞行机器人、吊绳及负载组成，负载仅有一个，吊绳的数目可以

是一个，也可以是多个. 随着多旋翼飞行机器人及控制理论的发展，多飞行机器人吊运系统的相关研究受

到了越来越多的关注

[1-3]

多飞行机器人吊运系统有许多优点

[2-6]

：1) 相对于货车、火车、吊车、汽车、轮船等交通运输工具

而言，多飞行机器人吊运系统可以到达更多的地区，如偏远山区或地震灾区，其地域可达性较好

[2-3]

；2)

相对于舱内运输而言，多飞行机器人吊运系统不需要过多地考虑舱内容量、负载形状、负载体积、负载大

小等，并且载荷装卸更加方便，可以实现高效地起降和装卸吊运的物资，运输便捷性较好

[2-3]

；3) 相对于

有人机运送而言，多飞行机器人吊运系统更有利于人类安全和人类健康，因为有人机吊运对飞行员的驾驶

技术要求非常高，而且吊运过程容易发生较大的危险，因此多飞行机器人吊运系统的安全性较好

[2-3]

；4)

相对于飞行机器人夹具夹持或飞行机械臂的操作，多飞行机器人吊运系统可以运送的负载种类更多，且飞

行机器人的灵活性更强

[4-5]

；5) 相对于单个飞行机器人进行吊运而言，使用多个飞行机器人进行协同吊运

可以运送更大更重的负载，而且便于调控负载的运动方向，甚至在单个或某些飞行机器人发生故障时仍然

可以顺利完成协同运输任务，系统的实用性较好

[6]

. 多飞行机器人吊运系统有较好的应用前景，如森林灭

火、远洋舰队补给、物资运送、灾后救援等

[2-6]

一般应用于外部吊运的负载具有的特点是：体积大、不适用于机舱内运输，危险性大或者是为了节

约装卸的时间. 然而，与舱内运输不同，飞行机器人吊运负载存在着许多影响安全的问题

[6-8]

. 外部挂载物

如同一个单摆，外部挂载物的晃动会使飞行机器人的控制变得更加困难，甚至会导致障碍撞击

[6-8]

. 吊绳有

可能缠绕到地面上的树木、电线杆等，这种情况对飞行机器人和负载都有危害，甚至对周围的居民有安全

隐患. 从这方面来讲，研究多飞行机器人吊运系统的建模与控制，提升系统的稳定性和安全性，提高负载

运送的效率，实现系统能力现代化，对国防和国民经济建设具有重要的实际意义

[6-8]

从理论上看，多飞行机器人吊运系统的研究还存在诸多问题

[2, 3, 6-13]

：1) 飞行机器人自身是一个欠

驱动系统，以四旋翼飞行机器人为例，它有 6 个自由度，但是仅仅有 4 个控制输入，欠驱动系统的建模与

控制长期以来都是一个研究热点，负载和吊绳的引入，会增加系统的自由度，但是控制输入量并没有变

化，系统的欠驱动特性更为严重

[2, 3, 6-9]

；2) 飞行机器人自身是非线性系统，吊绳和负载的引入，使得系

统的非线性程度更为严重

[2, 3, 6-9]

；3) 飞行机器人自身的平移运动和旋转运动相互耦合，吊绳和负载的引

入，会增加飞行机器人与负载的耦合，从而使得系统耦合性更为严重

[2, 3, 6-9]

；4) 外部悬挂负载的晃动会

使得系统的重心、绳子拉力等不断变化，系统的动力学特性是时变的

[2, 3, 6-9]

；5) 多个旋翼飞行机器人之

间足够的空间安全相对位置和相对速度难以保证

[10-13]

；6) 多机吊运时，为了防止系统的振动或翻滚，需

要保证多根绳子的拉力平衡

[10-13]

；7) 多飞行机器人协调吊运系统的负载需要进行合理分配

[10-13]

；8) 多飞

行机器人协调吊运系统的建模和控制方法设计需满足控制需求

[10-13]

. 从这方面来讲，研究飞行机器人吊运

系统的建模、估计与控制，具有重要的理论意义

[7-13]

目前，国内对多飞行机器人吊运系统的研究比较少，而且绝大部分的研究成果都停留在仿真阶段

[3]

本文将对多飞行机器人吊运系统的构型进行分析，从建模、协调控制、实验研究介绍多飞行机器人吊运系

统的研究现状，并对其潜在的应用领域和未来的研究工作进行探讨和展望.

1 构型

多飞行机器人吊运系统的研究受到越来越多学者的关注，关于构型的研究，多针对双机或三机吊运

系统开展，图 1 所示的 5 种构型比较常见. 这几种构型各有优缺点

[3, 14]

. 图 1(a)和图 1(d)的构型被称为带

有支撑杆的构型

[3, 14]

，这种构型的优点是飞行机器人的机动性好、各个飞行机器人都处于悬停或稳态飞行

的状态；但是这种构型也存在一些缺点，这种构型因为引入支撑杆进而会增加额外的负载质量，也会导致

联合动力学中出现新的不稳定模态，从而使得系统控制变得更为困难. 图 1(b)和图 1(c)的构型被称为无支

撑杆的协作构型

[3, 14]

，这种构型的优点是不增加额外的负载质量且不会引入新的不稳定运行模态，飞行机

器人本体的控制较为容易；但是，这种构型的飞行机器人存在明显的姿态倾角，飞行机器人工作状态不是

常规的飞行模态，旋翼的升力需求较大，所以动力学变得更为复杂，整个系统的控制面临新的挑战. 图

1(e)所示的构型结合了上述两类构型的优点，但仅仅适用于部分体积较大、较长的负载，其适用范围较

小，装卸所需时间相对较长. 目前大多数的双机吊运实验研究都采用了图 1(e)的构型.

图 1 常见的多飞行机器人吊运系统构型 Fig.1 Common configurations for multi-lift rotorcraft systems

图选项

从前期的研究可以看出，即使是有无支撑杆的这种简单构型变化也会对系统的控制性能产生较大的

影响. 但是截止到目前，鲜有学者研究悬吊位置、悬吊方式、悬吊物的几何形状、悬吊绳的强度、悬吊绳

的长度的差异性对系统建模与控制的影响，相关的定量分析和定性分析还需要进一步开展研究.

2 研究现状

利用多个飞行机器人平台进行协作搬运提升单平台负载能力的概念早在 1950 年左右已经存在，随

着相关技术的进步，其发展存在明显的阶段性，大致可以分成 3 个进程：

进程 1(1950 年-1980 年)

[15-17]

：1950 年左右，大载荷飞行器技术得到了极大的重视，但是相关研究

工作进展非常缓慢，于是利用两个飞行器协作实现载荷能力的等效提升的概念开始出现，科研人员利用实

际的有人驾驶直升机进行过实际飞行. 但从文[15-17]可以看出：这一时期的飞行技术比较落后，飞行演示

仅仅能保证系统的稳态悬停，几乎无法实现简单的飞行动作，极易发生危险事故，因此并未继续深入开展

相关研究.

进程 2(1980 年-1990 年)

[14, 18-24]

：1980 年左右，随着现代控制理论的逐步成熟，飞行控制技术得到

了快速的发展. 与此同时，在军方的支持下，美国的佐治亚理工学院、亚利桑那州立大学、麻省理工学

院、加利福尼亚大学等重新开始了相关的课题研究. 学者们基于前沿的控制理论和控制技术，取得了一系

列的理论研究成果. 但是，因为飞行技术发展不够成熟，飞行过程中的安全性难以得到保证，这一时期的

工作仅仅停留在理论研究阶段，很少有相关的实验研究.

进程 3(2005 年-)

[3, 6, 10-13, 25-45]

：从 2005 年开始，旋翼飞行机器人技术发展迅速，理论水平和实验

技术都有了飞速提升，能够实现全自主飞行的旋翼飞行机器人系统逐渐开始出现，相关实验的安全性得到

了较多的保障. 在这种背景下，2005 年以来，以旋翼飞行机器人为基本研究对象，国内外多个研究团队

开展了相关的基础理论研究和简单的可行性实验，为后续研究提供了宝贵的借鉴意义. 表 1 所示的是目前

国内外主要研究团队的研究汇总，可以看出绝大部分的研究都是基于四旋翼、单旋翼、六旋翼飞行机器

人，很少使用倾转旋翼和八旋翼飞行机器人开展相关的研究.

表 1 国内外主要研究机构研究内容汇总 Tab.1 The summary of research content of main institutes at

home and abroad

国家

研究机构

机器人类别

系统参数

验证方式

时间

德国 &

西班牙

柏林工业大学、德国宇航中心、塞维利

亚大学

[26]

单旋翼飞行

机器人

飞行机器人：3 个，13

负载：4 kg 绳：13 m

室外实验

2007

德国 &

西班牙

柏林工业大学、德国宇航中心、塞维利

亚大学

[26]

单旋翼飞行

机器人

飞行机器人：3 个，13

负载：5 kg 绳：13 m

室外实验

2009

美国

乔治·华盛顿大学

[34]

四旋翼飞行

机器人

飞行机器人：3 个，

0.755 kg

负载：1.5 kg 绳：1 m

仿真

2013

韩国 &

英国

英国克兰菲尔德大学、韩国国防科学研

究所、韩国科学技术院

[30]

四旋翼飞行

机器人

飞行机器人：4 个，

0.408 kg

负载 0.4 kg 绳：1.4 m

仿真

2014

意大利 &

挪威

那不勒斯大学、那不勒斯第二大学、挪

威科技大学

[35]

四旋翼飞行

机器人

飞行机器人：4 个，1.4

负载：0.4 kg 绳：0.3 m

仿真

2016

瑞士

苏黎世联邦理工学院

[36]

六旋翼飞行

机器人

飞行机器人：2 个，1.6

负载：370 g

室内实验

2016

瑞士

苏黎世大学

[32]

四旋翼飞行

机器人

飞行机器人：2 个，800

负载：263 g 绳：0.4 m

室内实验

2016

瑞典

皇家理工学院

[39]

四旋翼飞行

机器人

飞行机器人：2 个，分

别 1.4 kg，2 kg

负载：0.5 kg 绳：分别

0.5 m，0.7 m

仿真

2016

挪威

挪威科技大学

[37]

六旋翼飞行

机器人

飞行机器人：3 个

负载：2.2 kg

仿真 & 室

外实验

2016

土耳其

中东技术大学

[33]

四旋翼飞行

机器人

飞行机器人：3 个，0.65

负载：0.2 kg 绳：1 m，

0.01 kg

仿真

2017

印度

印度理工学院坎普尔分校

[38]

四旋翼飞行

机器人

飞行机器人：2 个，0.5

负载：22 g 绳：1 m

室内实验

2017

剩余11页未读，继续阅读

评论收藏

内容反馈

版权申诉

罗伯特之技术屋

粉丝: 3675
资源: 1万+

多飞行机器人吊运系统研究进展及挑战.docx

多自主水下机器人系统研究进展与分析.docx

视觉导航履带式移动机器人小车的研究设计开题报告.docx

智能隐形眼镜的研究进展与挑战.docx

基于单片机的室内智能通风控制系统研究-开题报告.docx

基于人工智能技术的电网营销稽查虚拟网查机器人系统建设及实践.docx

基于移动机器人的拣货系统研究进展.docx

三例FANUC 机器人控制系统故障分析及排除方法.docx

分布式深度学习隐私与安全攻击研究进展与挑战.docx

工业机器人语音控制系统研究.docx.pdf

ResNet及其在医学图像处理领域的应用：研究进展与挑战.docx

一篇文章让你明白运维进展的方向.docx

基于SSM的高校排课系统的研究与应用.docx

基于立体视觉的水果采摘机器人系统调研报告资料.docx

医学领域中数字虚拟人的研究进展及探讨.docx

管流式冲刷腐蚀实验装置的研究进展 (2).docx

基于模糊神经网络的机器人感知系统多源信息融合的研究.docx

移动机器人长期自主环境适应研究进展和展望.docx

大数据驱动的智能交通系统研究进展与趋势.docx

扑翼飞行机器人的设计与分析方案.docx

全国计算机等级考试二级Python真题及解析.docx

1000份ppt模版，PPT模板优秀PPT

导入证书可以解决”无法建立到信任根颁发机构的证书链"问题。

matlab批量读取excel表格数据并处理画图

OpenCv车辆识别训练模型

代码随想录知识星球精华-大厂面试八股文第二版v1.2.pdf

Vue-Element UI集成ECharts实现数据统计分析页代码部分(如果帮助到你，感谢关注点赞)

数学建模对乙醇偶合制备C4烯烃的问题研究

STM32F103C8T6中文数据手册

（头歌）计算机组成原理存储系统设计（HUST）1-7关答案

最新资源