Multicopter Flying Robot Planning and Control for Delivering Application

本文针对抛投应用的多旋翼控制与规划展开研究。主要研究内容包括多旋翼建模、辨识以及大初始状态下的规划及控制。 首先，建立了多旋翼（以四旋翼为例）的数学模型，对系统的关键参数进行了辨识。针对多旋翼的平衡状态点，设计LQR控制器，实施一系列大初始状态仿真实验，从中分析出大初始状态下线性控制器失效原理；针对被抛投的多旋翼是否能达到目标状态域的问题，利用可达集的方法计算了抛投四旋翼的有效状态域，并给出仿真算例。 其次，开展大初始状态下，多旋翼的镇定控制研究。为了降低理论分析的难度，将多旋翼系统的全状态模型简化为x-o-z平面内4维度的低维模型；基于此模型，提出基于广义逐点最小范数方法的抗饱和控制器；针对实际应用中对系统姿态有较高性能要求的情况，设计了一种姿态增强型控制器。最后，给出了上述两种算法的解析解，并证明了增强型算法的稳定性。 然后，为了使初步稳定的多旋翼在瞬时风扰下具有较好的轨迹跟踪效果，设计了一种内环加外环结构的控制器。采用鲁棒控制器方法设计外环控制器，并根据内外环运动学联系给出内环期望值，采用反馈线性化方法设计内环控制器，实现了瞬态扰动情况下良好的跟踪性能。 最后，对面向抛投应用的多旋翼实验平台展开研究。设计了实验验证平台的总体构成，基于上述平台，对多旋翼抛投应用展开初步探索，证明了实验平台的适用性