19、空中机器人操作臂的非线性最优控制

空中机器人操作臂的非线性最优控制

1. 空中机器人操作臂概述

空中机器人操作臂由四旋翼无人机和具有柔性关节的机械臂组成。在研究其动力学模型时,考虑该机器人在 xz 平面上运动。这里涉及到两个坐标系,惯性坐标系记为 XOZ,机体固定坐标系记为 X1O1Z1。无人机的旋转(侧倾)角度记为 θ,机械操作臂的连杆相对于惯性系统垂直轴的旋转角度记为 φ。由于连杆基部的关节具有柔性,为关节提供旋转动力的电机的转角并不等于 φ,记为 q。

作用在该空中操作臂系统上的力和扭矩如下:
- 无人机的旋翼产生升力。
- 当升力不均匀时,会产生扭矩 Tθ,使无人机以侧倾角度 θ 转动。
- 安装在机械操作臂基部的电机产生扭矩 Tm,使电机的转子转动角度为 q,通过弹性关节传递运动,最终机械连杆转动角度为 φ。

2. 动力学模型推导

2.1 动能计算

  • 无人机动能 :设无人机的质量为 M,转动惯量为 IU,其重心在惯性参考系中的坐标为 (x, z),则无人机的动能为:
    [Ku = \frac{1}{2}Iu \dot{\theta}^2 + \frac{1}{2}M \dot{x}^2 + \frac{1}{2}M \dot{z}^2]
  • 机械操作臂动能 :假设机械连杆的转动惯量为 Im,其总质量 m 集中在末端执行器,末端执行器在惯性系中的坐标记为 (xm, ym),旋转柔性关节的电机的转动惯量为 J。则机械操作臂的动能为:
    [Km = \frac{1}{2}Im \dot{\theta}^2 +

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