为了遂行灾害救援和野外侦查等复杂作业任务,本文设计了一款将四足步行机器人和四旋翼飞行器有机组合的陆空两栖机器人。该机器人既能根据作业需求进行结构分离,以实现陆、空多领域的侦查,同时四旋翼飞行器又能自由起落在四足步行机器人躯体上进行组合作业,为多用途侦查提供了更多的可能性。四足步行机器人足端轨迹采用贝塞尔曲线,机器人机身质心规划成按直线运动,可保证机器人步行运动的流畅性、稳定性与灵活性。仿真验证的结果表明该组合式陆空两栖机器人运动特性十分优异,具有推广应用价值。

为消除四旋翼飞行器轨迹定位和跟踪的控制信号收敛时发生的持续颤振,设计了基于滑模控制算法和模糊逻辑的新控制器。该控制器将滑模控制算法与模糊逻辑方法相结合,以消除控制信号收敛时发生的持续颤振,从而获得连续、平滑和有界的四旋翼飞行器控制信号。为验证所设计控制器的有效性,将所设计的控制器与指数型时变增益趋近反步滑模抗干扰控制器对四旋翼飞行器的控制效果进行了对比。仿真实验和对比结果表明,所设计的非线性控制器的误差性能指标均小于指数型时变增益趋近反步滑模抗干扰控制器的误差性能指标。

四旋翼飞行器可以在特殊复杂的环境下运行而备受关注,由于自身具有强耦合、欠驱动及非线性等特点,保障其突发环境变化时飞行轨迹和姿态的快速调整至稳定就变得很重要。首先对四旋翼飞行的中低空范围内风场进行研究,将风扰因素模型化并引入四旋翼系统模型中。其次四旋翼自身采用内外双闭环的控制架构,在位置外环和姿态内环框架内分别设计了全新的位置滑模控制器和姿态双闭环滑模控制器。在位置滑模控制器设计中提出一种带有鲁棒项的指数趋近律以实现外界环境干扰下飞行器对目标轨迹的准确跟踪。在设计姿态滑模面时加入了对姿态角跟踪误差值的积分项以提高四旋翼系统的鲁棒性。最终通过Matlab/Simulink数值仿真手段进行与传统滑模控制的对比仿真实验,检验了这里的控制方法具有更好的轨迹跟踪性能和鲁棒性。

四旋翼飞行器的应用范围日渐扩大,其旋翼气动噪声问题也开始越来越受到重视。为降低四旋翼飞行器的噪声水平,本文提出了基于相同步控制的四旋翼飞行器气动噪声主动抑制方法。首先基于自由尾迹法建立四旋翼飞行器气动噪声物理模型;针对物理模型计算资源消耗大、无法满足控制系统实时性的难题,建立基于人工神经网络的气动噪声预测代理模型。然后以某样例四旋翼小型无人机为对象,通过仿真计算,建立不同相角组合控制作用下飞行器正前方观测点气动噪声的训练样本集;最后通过遗传算法对训练得到的代理模型进行寻优,获得噪声控制所需的最优相角控制量,从而实现对飞行器前方扇形区域的噪声主动抑制。仿真结果表明,在最优相角组合控制作用下,飞行器正前方扇形区域观测点的平均声压级可降低9dB。

针对灾难搜救、军事侦察等应用中的狭窄空间飞行需求,提出一种俯仰姿态可以独立控制的四旋翼飞行器。该飞行器在普通四旋翼飞行器的基础上增加了一个倾转自由度,由一个驱动来独立控制飞行器的俯仰姿态,实现指定倾转角的悬停和飞行。建立了飞行器气动力仿真模型,仿真分析了倾转状态下旋翼间气流干扰对气动力特性的影响。搭建了气动力特性测试平台,通过实验验证了气动力仿真模型的有效性。最后,研制了飞行器原理样机,进行了倾转悬停和倾转飞行实验。研究结果表明,飞行器可以实现接近90°的倾转悬停,同时可以以倾转60°的俯仰姿态稳定飞行,验证了倾转变形四旋翼飞行器穿越狭窄空间的可行性。

针对四旋翼飞行器轨迹跟踪控制性能易受模型参数不确定性和未知外部干扰影响的问题,提出一种基于自适应反步法的全局鲁棒控制策略。该方法利用单一虚拟变量表达的线性化参数模型描述系统内部不确定性和外部干扰组成的集总干扰,并通过反步法设计的自适应算法在线估计虚拟变量,从而降低计算量,提高控制器的实时性。基于Lyapunov理论证明了该方法对集总干扰的鲁棒性及系统全部变量的全局一致最终有界性。最后,通过仿真算例验证了该控制策略的有效性和可行性,结果表明:该控制策略能有效克服集总干扰影响,实现四旋翼飞行器的精确轨迹跟踪。

针对带有模型不确定性和未知外界干扰的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制问题,提出一种自适应RBF神经网络控制策略。该方法利用RBF神经网络在线逼近和补偿系统中的未知非线性函数,减少对数学模型的依赖,提高抗干扰能力;结合Lyapunov方法导出在线调节神经网络权值的自适应律,增强鲁棒性;利用Lyapunov理论证明控制器的稳定性。通过仿真和试验验证该方法的有效性和工程应用价值,结果表明:在时变干扰和参数摄动作用下,所提方法相对于自抗扰控制的调节时间缩短1.1~2.1 s,轨迹跟踪的绝对误差平均值减小38.27%,具有更好的鲁棒性和抗干扰能力。

介绍了在“互联网＋”环境下的四旋翼飞行器个性化定制服务的C2B商业模式以及3D打印技术在四旋翼飞行器个性化定制产品加工制作中的应用，进一步提出了四旋翼飞行器网络个性化定制的流程及个性化定制后的四旋翼飞行器产品加工制造任务匹配优化。最后产品服务通过网络化订单系统进行管理及社会供应链中的物流供应进行配送。以互联网为核心的四旋翼飞行器网络个性化定制服务使得四旋翼飞行器制造企业在贸易与生产的效率方面得到很大的提高。

为了实现四旋翼飞行器的自定位,首先通过在飞行器上增加外设SIM808模块完成总体的硬件设计;其次在飞行器端利用全球定位系统和短信模块完成了四旋翼无人机位置信息的获取与发送功能;再次在Android手机客户端,利用百度地图SDK搭建Android应用程序,实现了四旋翼飞行器在地图上的定位与轨迹跟踪功能;最后对应用成果进行了展示,并指明了下一步研究的方向。

为了研究飞行器的灵敏度和快速性的问题,使用了线性二次调节器,它可以兼顾系统的4个性能指标（快速性、准确性、稳定性、灵敏度）,主要应用于震动系统的控制算法解决.根据四旋翼飞行器模型,建立了电机拉力以及螺旋桨的模型,给出了系统的动力学方程.最后使用Simulink进行仿真并对仿真结果分析,发现经过线性二次调节器后系统的响应时间明显减少了,证明了基于线性二次调节器的飞行器的可行性.