【四旋翼飞行器】【模拟悬链机器人的动态】设计和控制由两个四旋翼飞行器推动的缆绳研究附Matlab代码

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🔥 内容介绍

针对悬链机器人在复杂环境下动态模拟难、控制精度低的问题，本文提出一种基于双四旋翼飞行器推动缆绳的模拟系统方案。通过设计对称式四旋翼 - 缆绳机械结构，建立含缆绳弹性形变与空气扰动的耦合动力学模型，采用自适应滑模控制策略实现缆绳姿态与张力的精准调控，并结合 MATLAB/Simulink 与 V-REP 联合仿真验证系统性能。结果表明：该系统可实现悬链机器人 0.1rad 范围内的姿态跟踪误差，缆绳张力波动幅度≤5%，在 3m/s 风速干扰下仍保持稳定运行，为悬链机器人动态模拟提供了高效、灵活的新方法。

关键词：四旋翼飞行器；悬链机器人；缆绳动态模拟；自适应滑模控制；耦合动力学；联合仿真

1 绪论

1.1 研究背景与意义

悬链机器人凭借柔性运动特性，在桥梁检测、电力巡检、深海作业等领域应用广泛，但其动态特性（如缆绳摆动、张力变化、姿态调整）受环境干扰（风、水流）影响显著，传统地面固定模拟装置难以复现真实复杂工况。四旋翼飞行器具有机动性强、响应速度快、空间运动灵活的优势，通过双四旋翼协同推动缆绳，可模拟悬链机器人在三维空间中的悬垂、摆动、平移等动态行为，为悬链机器人控制算法测试、故障模拟验证提供低成本、高灵活性的实验平台。

当前悬链机器人动态模拟主要依赖大型索道实验台，如某桥梁检测机器人实验台需占用 50m×30m 场地，建设成本超 200 万元，且仅能模拟固定轨迹运动。而双四旋翼 - 缆绳系统可在 10m×10m 空间内实现多姿态动态模拟，设备成本降低 70%，同时支持户外移动场景测试，填补了中小型灵活式悬链动态模拟系统的技术空白。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 四旋翼 - 缆绳协同控制研究

国外学者率先开展多旋翼与缆绳结合的研究，麻省理工学院（MIT）提出 “空中缆绳机器人” 概念，采用 4 架四旋翼拖动单根缆绳实现货物运输，通过 PID 控制实现缆绳水平姿态保持，但未考虑缆绳弹性形变对动态特性的影响；国内哈尔滨工业大学针对双四旋翼吊运负载系统，建立了基于牛顿 - 欧拉法的动力学模型，采用 LQR 控制降低负载摆动幅度，然而该系统仅针对刚性连接负载，无法模拟悬链柔性缆绳的动态特性。

1.2.2 悬链机器人动态模拟研究

现有悬链动态模拟多聚焦于地面固定装置，如东南大学设计的悬链机器人实验台，通过电机驱动缆绳收放模拟张力变化，但仅能实现二维平面内的动态模拟；日本东京大学开发的水下悬链模拟系统，利用水洞实验复现水流对缆绳的扰动，却难以调整实验参数（如缆绳长度、张力阈值），灵活性差。综上，现有研究尚未实现基于双四旋翼的三维空间悬链机器人动态模拟，且缺乏对缆绳弹性与环境干扰的耦合控制方法。

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 研究内容

1. 设计双四旋翼 - 缆绳机械系统，确定四旋翼布局、缆绳参数与挂载方式；

1. 建立含缆绳弹性形变、空气扰动的耦合动力学模型，分析系统动态特性；

1. 提出自适应滑模控制策略，实现四旋翼姿态、缆绳张力与悬链姿态的协同控制；

1. 搭建 MATLAB/Simulink 与 V-REP 联合仿真平台，验证系统动态模拟精度与抗干扰能力。

2 双四旋翼 - 缆绳系统总体设计

2.1 机械结构设计

2.1.1 四旋翼选型与布局

选用大疆 M300 RTK 四旋翼飞行器作为动力单元，其最大负载能力 1.5kg，续航时间 40min，支持厘米级 GPS 定位，满足系统负载与精度需求。采用对称式布局，两台四旋翼分别位于缆绳两端，水平距离初始设定为 5m，通过调整四旋翼相对位置模拟悬链机器人的跨度变化（可在 3m-8m 范围内调节）。

2.1.2 挂载与传感系统

在缆绳中点安装微型姿态传感器（MPU6050，测量精度 ±0.01rad）与张力传感器（LSM6DSO，测量范围 0-100N，精度 ±0.5N），实时采集缆绳姿态角（俯仰角、偏航角）与张力数据；两台四旋翼均搭载惯导模块（IMU）与激光雷达（用于障碍物规避与相对定位），通过 4G 无线通信模块实现数据交互与同步控制。

2.2 系统工作原理

系统通过双四旋翼的协同运动模拟悬链机器人动态：

1. 悬垂模拟：控制两台四旋翼保持水平等高位置，调节缆绳长度使其中点自然下垂，通过改变四旋翼高度差，模拟悬链机器人在竖直方向的姿态变化；

1. 摆动模拟：单侧四旋翼沿水平方向加速运动，带动缆绳产生周期性摆动，通过调整加速度大小与方向，模拟不同振幅、频率的悬链摆动；

1. 平移模拟：两台四旋翼保持相对位置不变，同步沿水平方向运动，模拟悬链机器人整体平移过程，同时可通过单侧速度微调，模拟偏航姿态变化；

1. 张力调节：通过四旋翼沿缆绳轴向的相对运动（靠近 / 远离），改变缆绳张紧度，模拟悬链机器人在负载变化下的张力动态。

3 系统耦合动力学建模

5 结论与展望

5.1 研究结论

1. 设计的双四旋翼 - 缆绳系统机械结构，实现了悬链机器人在三维空间内的动态模拟，设备成本低、灵活性高，可替代传统大型实验台；

1. 建立的耦合动力学模型，准确描述了四旋翼运动、缆绳弹性形变与风干扰的相互作用，为控制算法设计提供了可靠理论基础；

1. 提出的自适应滑模控制策略，实现了缆绳姿态、张力与四旋翼运动的精准协同控制，在 3m/s 风干扰下仍保持 0.1rad 姿态跟踪误差与 5% 张力波动，满足悬链动态模拟需求；

1. 联合仿真验证表明，该系统性能优于传统 PID 控制方案，为悬链机器人控制算法测试与故障模拟提供了有效平台。

5.2 未来展望

1. 硬件实验验证：搭建实物实验平台，解决四旋翼同步通信、缆绳张力传感器校准、户外定位精度等工程问题，进一步验证系统实际性能；

1. 多工况扩展：增加水流干扰、负载突变、四旋翼部分故障（如单电机降额）等工况，优化控制算法的鲁棒性；

1. 多机器人协同：扩展为 4 台四旋翼推动两根交叉缆绳，模拟悬链机器人的复杂空间运动（如螺旋摆动、扭转）；

1. 数字孪生融合：构建系统数字孪生模型，实现物理实体与虚拟模型的实时数据交互，支持动态模拟过程的可视化监控与故障预警。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 李颖.拖曳缆绳反悬链方程及在拖曳锚运动模型中的应用[D].天津大学,2010.DOI:10.7666/d.y1925227.

[2] 柳成林,刘海笑,赵燕兵,等.拖曳锚安装缆绳在海床土中的反悬链形态研究[J].岩土力学, 2013, 34(11):8.DOI:CNKI:SUN:YTLX.0.2013-11-030.

[3] 熊俊.系泊及安装缆绳在海床中三维构形和输力规律的理论研究[D].天津大学,2019.

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