答辩博士：丁亚东
指导教师：陈柏 教授/博导
论文题目：绳驱动飞行机械臂系统建模与运动控制研究
答辩委员会：
主席：王浩平教授/博导 南京理工大学
委员：王 华教授/博导 南京工业大学
黄 丹教授/博导 河海大学
游有鹏教授/博导 南京航空航天大学
吴洪涛教授/博导 南京航空航天大学
秘书：王尧尧副教授/硕导 南京航空航天大学
时间：2022年03月03日9:00
地点：南航明故宫校区17#401
学位论文简介：
旋翼飞行器本身是一个欠驱动和对外界扰动敏感的复杂非线性系统，同时加装的机械臂与旋翼飞行器之间存在严重的耦合问题。创新的设计了一种绳驱动飞行机械臂系统，通过绳驱技术可以将电机、驱动器和减速机等安装在机械臂的底座，降低了臂身运动对旋翼飞行器的扰动。对飞行机械臂系统建模、轨迹规划与系统控制等问题进行了系统而全面的研究，研究成果对于提高飞行机械臂的自主作业性能具有重要的理论意义和参考价值。
论文主要完成的工作及取得的成果如下：
1）根据旋翼飞行器的几何学和机械臂连杆坐标系D-H参数推导出系统的正运动学和雅可比矩阵，并对绳驱动机械臂的关节耦合机理进行分析。由拉格朗日方程推导出完整的系统动力学模型，并将其简化为二维平面动力学模型。从非完整约束中计算出欠驱的姿态变量，并设计了一种通过数值迭代得到高精度逆解的方法。
2）通过实测得到旋翼飞行器的惯性参数和动力单元参数，通过实验的动力学参数辨识过程估计出连杆惯性参数值。由飞行机械臂的几何结构和动力学模型计算出系统的静态和动态最大有效载荷。通过负载的辨识模型和线性化参数的自适应律设计一种负载实时在线估计的方法。
3）使用质点系的动量和动量矩定理对耦合动力学进行了详细的建模，基于耦合动力学模型，分别分析了静态和动态耦合动力学的影响因素，给出了耦合力/力矩的极值和机械臂运动下旋翼飞行器的悬停漂移量。
4）分别对旋翼飞行器的空间轨迹、机械臂的关节轨迹和飞行机械臂的平面抓取轨迹进行了设计。设计的空间轨迹交替优化运动学约束下段端点导数和轨迹持续时间，并通过新增路径点和优化距离冗余量来避障。设计的关节轨迹满足运动学和耦合动力学约束，以减少对旋翼飞行器的扰动。设计的平面抓取轨迹在抓取点的质心偏移量最小，有助于抓取过程的稳定性。
5）对于机械臂关节控制，基于机械臂动力学模型，采用终端滑模控制来提高鲁棒性，并通过扩张状态观测器来补偿未建模误差。对于飞行器的飞行控制，采用反演控制方法来化简高阶系统，使用非奇异终端滑模控制来提高鲁棒性，并对飞行器和机械臂之间的耦合效应进行补偿。
主要创新点如下：
1）为了避免系统过载，提出了一种负载实时在线估计的方法，基于线性化参数的估计模型和自适应律，可以快速估计出负载参数。
2）根据飞行机械臂系统的动量和动量矩推导出飞行机械臂的耦合动力学，并计算出耦合力/力矩的极值和机械臂运动下旋翼飞行器的悬停漂移量。
3）针对飞行机械臂的抓取作业任务，设计了高性能的抓取轨迹，该轨迹可以实现时间最优、避障且抓取点处的系统质心偏移量最小，有助于抓取过程飞行平台的稳定性。
4）根据飞行机械臂的动态特性，设计一种基于飞行机械臂系统模型的鲁棒控制器，提高了作业过程中系统的跟踪精度和鲁棒性。
