多旋翼无人机的悬挂负载能力提升方案研究.docx

多旋翼无人机的悬挂负载能力提升方案研究与现有的固定翼无人机相比，多旋翼无人机体积较小、机动性较强，可以实现定点悬停与垂直起落，凭借自身的技术优势，多旋翼无人机逐步成为高效的作业平台，有效满足应急救灾、地质勘察等的相关要求但是受制于其负载能力，多旋翼无人机在使用过程中，会出现摇摆不稳定的情况，影响最终的使用效果，为增强多旋翼无人机的稳定性，需要通过建立模型等技术手段，打造出成熟的带悬挂机制，在实现多旋翼无人机受力分析的同时，形成对控制器的动力补偿，形成动态化的多旋翼无人机的控制机制1、多旋翼无人机概述对多旋翼无人机的技术构成与优势的分析，引导技术人员形成全面、系统的认知，逐步把握带悬挂组件的使用环境与技术要求，为后续建模活动的开展，控制方案的优化提供了方向性引导多旋翼无人机作为新型设备，机械结构较为简单，设备安装、维护难度较低，可以实现垂直起降，这种技术特点与设备优势，使得多旋翼无人机逐步成为主流的无人机技术方案近些年来多旋翼无人机技术体系日益成熟，出现了四旋翼、六旋翼、八旋翼等多种形态的无人机，与传统的固定翼无人机相比，多旋翼无人机在开展货物运输、地质勘察的过程中，不需（转下页）要过多考虑无人机的装载容积以及装载物的形状，因此有着较强的实用性，更好地满足了多场景下的使用需求[1]。

但是必须清楚地认识到，这种运输与负载特点，使得多旋翼无人机进行吊挂飞行环节，极易出现负载摆动的问题，影响了飞行的稳定性，从而在很大程度，限制了多旋翼无人机使用场景为改善这种局面，强化多旋翼无人机的飞行能力，避免无人机负载摆动的发生，需要对现有的多旋翼无人机技术方案作出必要的调整，通过相关技术手段，有效解决摆动问题，增强无人机设备的可控性2、带悬挂多旋翼无人负载分析多旋翼无人机带悬挂组件的合理化构建，需要依托现有的技术手段，通过必要的建模处理，组建起多旋翼无人机的力学模型，实现对负载的合理分配，增强了稳定控制的可行性与有效性2.1带悬挂多旋翼无人机力学模型分析为持续提升多旋翼无人机带悬挂配套设施的运行效能，提升结构稳定性，，避免多旋翼无人机带悬挂设计、实现环节存在漏洞，增强带悬挂多旋翼无人机负载分布的科学性需要积极做好带悬挂多旋翼无人机力学分析，构建起完善的力学模型，旨在推动多悬挂组件设计思路的科学梳理[2]具体来看，在带悬挂多旋翼无人机建模之前，为更加准确地描述运动状态，应当做好坐标系创建，例如工作人员需要做好坐标系的选择与坐标系的转换，通过这种举措，将整个多旋翼无人机在各个阶段的运行状态以点、线的方式呈现出来，将抽象的研究实现具象化。

例如需要根据相关要求，确定地面坐标系、机体坐标系、悬挂点坐标系等，依托坐标系的建立，使得带悬挂多旋翼无人机各个模块，能够以最为直接的方式体现，消除了环境因素对于整个研究活动的影响[3]以机体坐标系为例，通过对坐标系的选取，实现了多旋翼无人机模块组件之间相互关系的确立，如图1所示：图1多旋翼无人机空间坐标分布情况在完成多旋翼无人机空间坐标系的创建工作之后，研发人员需要做好带悬挂模块的运动特性分析等方面的工作，通过运动特性分析，全面掌握多旋翼无人机带悬挂模块的基本情况，为后续建模工作的开展奠定坚实基础考虑到整个多旋翼无人机结构复杂，在运动学特性分析环节，为简化研究、分析流程，降低研究难度，可以将机体运动作为主状态，并以此为基础，进行运动模型的构建悬挂模块运动特性的分析，则着眼于这一实际，将运动过程中，归结为自由度刚体运动以及悬挂点的角运动这种运动特性的分析，可以较好地评估多旋翼悬挂模块的稳定状态，同时多旋翼无人机在飞行过程中，会出现较多的飞行状态，作出不同的飞行动作，基于这种实际，在进行多旋翼无人机悬挂模块运动特性分析环节，只考量匀速运动以及悬停状态下的飞行情况在整个运动特性研究环节，需要明确掌握分析要点，避免运动特性分析出现误区，影响工作成效。

具体来看，多旋翼无人机、悬挂模块应当视为刚体，将悬挂模块作为质点，建立起与多旋翼无人机之间的联系悬挂模块在运动过程中，悬挂绳索可以忽略自身质量以及绳索承受的气动力，通过对上述注意实现的明确，减少了多旋翼无人机悬挂模块运动分析的难度，增强了运动特性分析的有效性在理顺研究思路的基础上，初步实现了对多旋翼无人机悬挂模块运动状态的评估与分析多旋翼无人机在运动过程中，受到悬挂负载的作用，产生了阻力、阻力矩，对多旋翼无人机悬挂模块的受力情况形成了全方位的认知，为后续负载模型设计、建设奠定了坚实基础2.2多旋翼无人机悬挂负载模型建设多旋翼无人机悬挂负载模型环节，需要从平动方程、转动方程等角度出发，完成数据动力学的分析与探讨以平动方程为例，在本次研究过程中，借助于F=maB，其中F为多旋翼无人机受到的外部合力，aB表示悬挂模块支点的绝对的加速度情况，研发人员可以将整个多旋翼无人机匀速运动过程中，所受阻力进行了科学计算多旋翼无人机悬挂组件，在转动过程中，需要满足动量矩定理的相关要求，按照JwB+wBxJwB=M的公式要求，公式中J表示多旋翼无人机转动惯量矩阵，wB表示无人机机身的速度，借助这种处理方式，引导研究人员对多旋翼无人机合力矩形成正确的认知。

平动方程、合力矩的计算，使得研究人员，可以有效评估多旋翼无人机悬挂模式的稳定性，准确掌握悬挂模块的运行状态，为后续控制组件的设计、稳定系统的实现提供了必要的数据参考，避免了整个稳定性控制模块设置的盲目性[4]从过往经验来看，通过对多旋翼悬挂负载模块力学特征的分析，逐步准确把握各类数据，便于研发人员开展相应的设计工作，对悬挂模块作出适当的调整，使其受力更为均衡，更好地满足现阶段多旋翼无人机的使用需求2.3多旋翼无人机平台建设方案在带悬挂多旋翼无人机创设过程中，为保证受力的稳定性，实现阻力的合理控制，需要采用中心对称的分布方案，使得整个多旋翼无人机悬挂模块可以贴合实际的使用需求，增强负载摇摆问题的应对能力在这一思路的指导下，技术人员在飞控板中，设置数字信号处理器、现场编辑门阵等相关架构，在这种运行架构之下，DSP可以有效完成组合导航以及飞行控制相关算法的结算，FPGA模块，则可以实现数据接口的拓展，实现了多旋翼无人机遥控装置、GPS、数据记录仪的有效联动，实现了内部数据的互联互通，对于匀速分析以及定点悬停过程中，无人机建设悬挂模块稳定性的提升有着极大的促进作用同时在多旋翼无人机平台建设的框架下，研发人员可以有序推进无人机控制机制的完善，实现悬挂模块稳定性与可操控性的合理兼顾。

3、带悬挂多旋翼无人机负载控制机制创建路径带悬挂多旋翼无人机控制机制的完善，要求技术人员以带悬挂建模作为基础，通过针对性地做好无人机控制硬件、软件系统的创建工作，不断强化带悬挂多旋翼无人机的控制成效，确保飞行的稳定性，最大程度地避免摇摆情况的发生，为各项任务的顺利完成营造良好的外部条件3.1带悬挂多旋翼无人机控制机制创建原则着眼于带悬挂多旋翼无人机的动力学特性，为提升飞行过程中，操作人员对于飞行状态的控制能力，减少悬挂负载摇摆等情况的发生，需要认真做好控制机制的的创建工作考虑到整个控制机制涉及到的元件模块较为多元，因此需要研发人员遵循科学性原则、实用性原则，立足于带悬挂多旋翼无人机的飞行特点，通过系统化的建模操作，科学分析、准确评估带悬挂多旋翼无人机的飞行状态以及力学特性，在此基础上，有目的、有指向的进行控制机制策略的制定与执行，以此来保证控制机制能够很好地适应不同场景下带悬挂多旋翼无人机的操作要求，避免控制技术的滥用或者缺失[5]为降低操作难度，管控投入成本，在控制机制创建环节，需要认真做好无人机控制机制实用性的评估，确保控制机制符合正常的操作逻辑，避免对用户操作产生妨碍，造成多旋翼无人机可控性的下降，影响后续的使用。

3.2认真做好仿真平台的搭建为增强带悬挂多旋翼无人机飞行的稳定性，需要认真做好仿真平台的创建，以仿真平台作为前提，对多旋翼无人机在悬挂负载飞行中可能出现的各类情况进行模拟，并根据模拟结果，制定相应的操作方案，增强负载飞行的稳定性，避免摇摆问题的发生在这一思路的指导下，研究人员可以通过Matlab中的Simulink组件，进行带悬挂多旋翼无人机的仿真环境模拟，并形成完善的动态建模、仿真分析以及综合应用的平台机制，如图2所示：图2带悬挂多旋翼无人机的仿真平分析依托于仿真平台的建设，实现了对带悬挂多旋翼无人机运行机理的全面评估与有效分析，在这一仿真平台下，多旋翼无人机具备较强的学习能力，可以根据环境要素、负载情况，灵活调整运输方案，并将相关指令及时反馈给操作人员，操作人员根据提示，开展相关操作3.3带悬挂多旋翼无人机的线性优化从过往经验来看，带悬挂多旋翼无人机进行线性优化，可以提升多旋翼无人机运行的平稳性，确保其在悬停状态的抗摇摆能力，更好地适应不同场景下的使用需求在带悬挂多旋翼无人机线性优化环节，研发人员需要依据建模分析结果，掌握多旋翼无人机悬停状态下的稳定工作点，明确横滚角、仰俯角等数据的相关情况，并对相关数据进行配平处理。

由于配平过程中涉及到大量的数据，计算难度较高，计算误差较大，因此可以通过Simulink软件中的ControlDesign模块，在短时间内完成配平处理，为线性优化提供了参考与借鉴例如在带悬挂多旋翼无人机进行地质勘查的过程中，通过追加GIS模块，实现了对地质数据的有效读取与精准分析4、结束语多旋翼无人机作为一种成熟的飞行平台，其承担着抢险救灾、地质勘察等多项任务考虑到多旋翼无人机的使用场景与操作要求，需要结合实际，对已有的稳定机制作出相应的调整，实现多旋翼无人机稳定性的逐步提升，以强化多旋翼无人机的定点悬停能力，为各项任务的推进与完成，提供良好的技术支撑参考文献：[1]郭民环,苏岩,朱欣华.带吊挂负载的四旋翼无人机滚动纳什控制[J].北京航空航天大学学报,2018(7):63-64.[2]葛超,张植勋,曾舒婷.一种小型多旋翼无人机的挂载设计与实现[J].兵工自动化,2019(1):102-103.[3]代登志.基于SimMechanics的四旋翼无人机建模仿真与控制研究[J].西南交交通大学,2019(7):97-99.[4]冯培晏.四旋翼无人机建模与PID控制器设计[J].工业设计,2018(7):33-34.[5]梁文凯,张晓龙,谢晓全.基于Matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证[J].软件,2020(4):161-163.张吉廷,熊智辰.带悬挂负载的多旋翼无人机负载控制方案[J].科学技术创新,2020(35):61-63.基金:江苏海事职业技术学院科研项目:基于无人机+GIS海院实训基地(码头)三维实景建模及应用研究(重点)项目编号:KJYB201901.。