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复杂环境下四旋翼无人机吊载系统规划与控制技术研究

摘要

随着机器人技术和传感器技术的不断发展，旋翼无人机飞行器由于其出色的机动性

和不受地形制约的特性，在吊载运输应用方面展现出广阔的前景。特别对于地面车辆难

以到达的复杂场景，四旋翼无人机吊载系统是一个可行的解决方案。该系统涉及环境感

知、运动规划、状态估计、稳定控制、信息通信以及嵌入式算法部署等，属于多学科交

叉领域。目前在实际应用中仍有一些亟需解决的问题，包括：1）在未知环境下，现有的

路径规划算法难以获得可保证系统整体安全的路径，并且生成的期望运动轨迹难以保证

时空最优；2）在复杂的工作场景下，现有的负载控制方法难以处理建模内部的不确定性

以及环境外部的干扰；3）在实际的应用场景中，现有的负载控制策略多数依赖运动捕捉

系统进行负载状态反馈，环境要求高、限制大。

针对上述问题，本文围绕四旋翼无人机吊载系统的运动规划、抗扰动控制以及负载

控制三个方面展开研究，主要工作及创新点工作如下：

（1）针对四旋翼无人机吊载系统在未知环境下安全自主运输的难题，提出了一种

适用于四旋翼无人机吊载系统的运动规划算法。该算法集成了系统安全启发式动力学约

束（Kinematic+Dynamic，Kinodynamic）的路径规划算法和最小控制力轨迹描述类的优

势，基于旋翼无人机、吊绳和负载的安全性，生成了可行的高质量的动力学引导路径；

利用最小控制力轨迹描述类，兼顾动力学、吊绳长度和安全性等约束条件，优化生成了

时空最优的负载运动轨迹，并通过仿真分析与实物实验验证了该方法的可行性与鲁棒性。

（2）针对系统由于外部扰动/内部不确定性所造成的系统稳定性差的难题，提出了

一种基于观测器的鲁棒负载非线性跟踪策略。基于系统自身具有的高耦合特性，引入虚

拟输入控制量进行解耦，设计了负载位置环、负载姿态环以及旋翼无人机姿态环三个控

制环和相应的扰动观测器，形成了可以提高系统鲁棒性的负载抗扰动控制策略。同时，

对该控制策略的稳定性进行了理论推导和证明。最后，通过对比实验验证了干扰条件下

该方法的抗扰能力和鲁棒性能。

（3）针对四旋翼无人机吊载系统户外高效自主运输的难题，提出了一种基于六维

力传感器的非线性负载轨迹跟踪控制策略。该策略基于力传感器所测吊绳拉力与旋翼无

人机位置估计了负载实时位置，进而设计了负载速度观测器以确保负载速度状态可靠获

取；并基于负载状态估计，设计了仅依赖机载传感器实现户外运行的负载轨迹跟踪控制

器。此外，系统根据力传感器数据的实时反馈，实现了对不同的负载重量的自主适应以

哈尔滨工程大学硕士学位论文

满足运输不同重量物体的需要。最后，通过理论验证和多组仿真及实物实验，验证了该

控制策略在户外环境下实现安全稳定控制的有效性和可靠性。

关键词：四旋翼无人机吊载系统；运动规划；状态估计；抗扰控制；非线性控制

复杂环境下四旋翼无人机吊载系统规划与控制技术研究

Abstract

Withthecontinuousadvancementofroboticsandsensortechnology,quadrotorshave

demonstratedremarkablecapabilitiesintransportationapplications,owingtotheirexcellent

maneuverabilityandterrain-independentcharacteristics.Particularly,incomplexscenarios

wheregroundvehiclesfacechallenges,thequadrotorsuspendpayloadsystememergeasviable

solutions.Thesysteminvolvesenvironmentalperception,motionplanning,stateestimation,

stabilitycontrol,informationcommunication,andembedd