摘要
随着现代科技的飞速发展，机器智能化的广泛应用，四旋翼无人机吊挂运输成为机器人智能控制领域的重要研究方向。由于四旋翼无人机与吊挂负载在空中运输时的稳定性至关重要，因此在系统控制策略方面需要安全合理且有效的设计，目前的控制研究主要采用线性和非线性控制方法，结合系统模拟仿真和实验对控制效果进行验证。在研究吊挂系统稳定性的同时，四旋翼无人机的载荷能力也十分重要，而且采用刚体作为负载更加符合现实需求。因此本文主要采用刚体负载作为研究主体，对四旋翼无人机吊挂系统进行控制研究和分析。主要工作内容如下： (1)分析四旋翼无人机的飞行原理，并运用达朗贝尔原理(D’AlembertPrinciple)对四旋翼无人机吊挂刚体负载系统进行动力学分析，接着采用牛顿-欧拉方程(Newton-Euler)分析刚体负载并设计出负载的姿态模型，最终得到四旋翼无人机吊挂刚体负载系统动力学模型，为后续的控制设计奠定理论基础。 (2)运用线性反馈控制的方法，对四旋翼无人机吊挂刚体负载系统进行位置和姿态控制。首先采用线性系统的分析方法将系统模型在平衡点处做线性化处理，接着分析和验证吊挂系统的可控性，并验证系统的不可控项对系统整体控制的影响。最后设计仿真实验，分别对刚体负载的姿态和摆角以及四旋翼无人机的位置跟踪进行仿真验证。结果表明，线性反馈控制器能够实现四旋翼无人机的精确定位和刚体负载摆动的快速抑制。 (3)运用模型预测控制(ModelPredictiveControl,MPC)的方法，对四旋翼无人机吊挂刚体负载系统的状态输入进行预测控制。利用滚动优化的特性不断更新每一时刻系统的控制输入，再运用反馈校正的方法实时记录每一时刻系统状态变量的误差来不断接近期望值，得到模型预测控制的结果。接着在设计好模型预测控制器基础上进行仿真实验，分别对四旋翼无人机的位置、刚体负载的摆角与姿态角进行控制分析。最终刚体负载的姿态与摆角得到了很好的抑制，四旋翼无人机的定位也更加快速和精确。 (4)采用四旋翼无人机吊挂刚体负载系统进行实物飞行实验。首先搭建室内实验平台，运用主副控制器同时控制四旋翼无人机的位置与刚体负载的摆角与姿态。期间设计硬件模块来实现无人机与刚体负载的数据通信，并连接地面站对无人机吊挂系统进行数据监测。最后设计飞行实验，验证四旋翼无人机吊挂刚体负载运输的合理性以及控制效果，得到了较好的实验结果。
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