摘要
随着多旋翼无人机普及率的上升，多旋翼无人机面临的应用场合也在趋于多样化，这也就越来越需要多旋翼无人机能够安全可靠飞行。尽管目前市面上的多旋翼无人机能够安全可靠地飞行，但是安全性是通过多旋翼飞行器搭载各种各样的传感器来保证的。这也往往会带来成本的增加，同时在面对一些不明物体时，当前存在的方法仍不能保证多旋翼安全飞行。因此，在多旋翼飞行过程中，多旋翼还面临着与周围环境中的其他物体相撞的威胁。由此本文的主要研究内容是过驱动多旋翼在遭遇不明物体撞击后的安全恢复策略。 首先，本文针对过驱动多旋翼系统构建坐标系以及动力学模型，接着详细介绍安全恢复策略的主要组成，包括控制策略、外部力矩估计以及碰撞检测。其中，使用传统外部力矩估计方法来估计外部力矩的同时，又给出一种基于扩张状态观测器的外部力矩估计方法，将外部力矩扩张为一个可观测的虚拟状态变量，以此来观测外部力矩，并给出这两种方法的推导过程。 其次，当前的轨迹生成算法主要是针对欠驱动多旋翼飞行器，对于过驱动多旋翼飞行器的轨迹生成算法研究较少。因此，针对过驱动多旋翼飞行器，提出一种能够生成六自由度轨迹的最小时间轨迹生成算法。所提出的算法主要分为两步：第一，在多项式的基础上，通过求解空间域内的无约束问题，生成满足几何约束的位置和姿态轨迹；第二，在时间域内添加姿态和位置动力学约束，以实现大角度机动。通过求解时域上的映射函数来实现最优时间分配，其中映射函数描述了空间变量和时间变量之间的映射关系。 最后，针对过驱动多旋翼搭建仿真平台，验证了过驱动多旋翼飞行器的碰撞恢复策略，并给出仿真结果。随后，在碰撞实验中验证了所给出的基于扩张状态观测器的外部力矩估计方法的可行性，并在临界分析实验中，分析了过驱动多旋翼在不同的碰撞条件下安全恢复的情况。
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