基于约束跟随理论的消防无人机水枪喷嘴跟踪控制

• 作者: 张新荣 康龙 张东升 张军
• 来源期刊: 湖南大学学报（自然科学版）
• 关键词: Udwadia-Kalaba方程 约束理论 高层建筑消防 无人机 轨迹跟踪 运动方程
• 年，卷（期）: 2024,（10）
• 所属期刊栏目: 机械工程
• 页码范围: 116-127
• 页数: 12页
• 语种: 中文
• DOI: 10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2023178

摘要

利用无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）参与灭火是解决城市高层建筑消防问题的一种有效手段.针对无人机云台运动的控制问题，提出一种基于约束跟随理论的云台水枪喷嘴跟踪控制策略.根据高层建筑实际灭火需求，设计了云台水枪喷嘴两自由度驱动结构，采用Denavit-Hartenberg(D-H)方法对云台系统进行建模并由此完成云台运动学方程的建立.根据拉格朗日方程构建云台无约束动力学模型，把云台水枪喷嘴的期望轨迹作为约束，在不引入诸如拉格朗日乘数等任何变量或伪变量的情况下，基于Udwadia-Kalaba方程得到可以满足约束跟随需要的驱动转矩解析式，实现状态连续反馈控制，以达到水枪喷嘴轨迹跟踪的目的 .为了减小跟踪误差，采用Baumgarte约束违约法进行稳定性处理，并在MATLAB/Simulink环境下对其轨迹跟踪控制进行仿真.搭建以数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP）为控制核心的实验平台进行轨迹跟踪控制实验.仿真和实验结果表明，基于约束跟随理论的轨迹跟踪控制算法能够有效地完成跟踪任务并实现对期望轨迹的高精度跟踪.