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变构型陆空平台动态起降轨迹规划研究

魏巍 范康迪 王若琳 赵默雷 赵之然 王剑峰

魏巍, 范康迪, 王若琳, 赵默雷, 赵之然, 王剑峰. 变构型陆空平台动态起降轨迹规划研究[J]. 机械工程学报, 2022, 42(7): 682-687. doi: 10.15918/j.tbit1001-0645.2021.325
引用本文: 魏巍, 范康迪, 王若琳, 赵默雷, 赵之然, 王剑峰. 变构型陆空平台动态起降轨迹规划研究[J]. 机械工程学报, 2022, 42(7): 682-687. doi: 10.15918/j.tbit1001-0645.2021.325
WEI Wei, FAN Kangdi, WANG Ruolin, ZHAO Molei, ZHAO Zhiran, WANG Jianfeng. Trajectory Planning of Dynamic Take-off and Landing of Deformable Aerial-Ground Platform[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2022, 42(7): 682-687. doi: 10.15918/j.tbit1001-0645.2021.325
Citation: WEI Wei, FAN Kangdi, WANG Ruolin, ZHAO Molei, ZHAO Zhiran, WANG Jianfeng. Trajectory Planning of Dynamic Take-off and Landing of Deformable Aerial-Ground Platform[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2022, 42(7): 682-687. doi: 10.15918/j.tbit1001-0645.2021.325

变构型陆空平台动态起降轨迹规划研究

doi: 10.15918/j.tbit1001-0645.2021.325
基金项目: 国家重点研发计划(2020YFC1512500)
详细信息
    作者简介:

    魏巍(1978—),男,博士,教授,E-mail:weiweibit@bit.edu.cn

  • 中图分类号: TP242

Trajectory Planning of Dynamic Take-off and Landing of Deformable Aerial-Ground Platform

  • 摘要: 陆空平台具有多域机动能力,通过陆空模式的转换能够适应各种复杂环境,但陆空模式转换多为静止起飞或悬停下降,这种静态起降方式不利于陆空平台机动性的充分发挥. 针对一种动力机构可偏转的变构型陆空两栖平台,基于牛顿-欧拉方程建立陆空平台的飞行动力学模型,规划偏转角的时间序列以获得动态动力学约束,确定相对时间最优目标函数;基于5次多项式拟合二维平面轨迹,根据PID控制方法设计轨迹跟踪控制器,并进行轨迹规划和控制仿真. 结果表明,动态切换时间相比静态切换时间缩短了23.02%,动态切换规划轨迹平滑,高度方向无超调,控制器能较好地跟踪目标飞行轨迹.

     

  • 图  变构型陆空平台示意图

    Figure  1.  Schematic of deformable aerial-ground platform

    图  坐标系

    Figure  2.  Coordinate system

    图  随偏转角变化的转动惯量曲线

    Figure  3.  Moment of inertia curve varying with deflection angle

    图  陆空动态切换与静态切换示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of dynamic and static switching between land and air

    图  轨迹规划流程图

    Figure  5.  Trajectory planning flowchart

    图  Jxh变化的关系图

    Figure  6.  The relationship diagram of J with x and h

    图  飞行路径

    Figure  7.  Flight path

    图  动态切换时z向加速度曲线

    Figure  8.  z-direction acceleration curve during dynamic switching

    图  轨迹跟踪控制框图

    Figure  9.  Trajectory tracking control block diagram

    图  10  PID轨迹跟踪控制

    Figure  10.  PID trajectory tracking control

    表  1  关键参数

    Table  1.   Key parameters

    参数数值
    $ m $/kg1.4
    $ g $/(m·s−2)9.8
    ${c_{\rm{T}}}$1.105×10−5
    ${c_{\rm{M}} }$3.558×10−7
    $ {x_{\max }} $/m50
    $ {v_x} $/(m·s−1)1
    $ \alpha (t = 0) $/(°)30
    $ p $3
    ${a_{\textit{z}\max } }$/(m·s−2)0.2g
    ${v_{\textit{z}\max } }$/(m·s−1)2
    $a_{x\min }'$/(m·s−2)−5
    ${t_{{\rm{j}}2} }$/s0.1
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    表  2  仿真结果

    Table  2.   Simulation results

    参数数值
    静态切换时间/s0.93
    动态切换时间/s0.6
    目标函数$ J $/%35.73
    $ x $/m0.6
    $ h $/m0.1
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    表  3  h=1.5 m时的仿真结果

    Table  3.   Simulation results when h=1.5 m

    切换方式静态切换动态切换
    时间/s3.122.4
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    表  4  控制器参数

    Table  4.   Controller parameters

    姿态控制器参数数值位置控制器参数数值
    ${k_{\rm{P} } }\_Pitch\_Angle$6.5${k_{\rm{P} } }\_x$1.2
    ${k_{\rm{P} } }\_Pitch\_AngleRate$0.1${k_{\rm{P} } }\_{v_x}$0.2
    ${k_{\rm{I} } }\_Pitch\_AngleRate$0.02${k_{\rm{I} } }\_{v_x}$0.01
    ${k_{\rm{D} } }\_Pitch\_AngleRate$0.001${k_{\rm{D} } }\_{v_x}$0.01
    ${k_{\rm{P} } }\_Roll\_Angle$6.5${k_{\rm{P} } }\_y$1.2
    ${k_{\rm{P} } }\_Roll\_AngleRate$0.1${k_{\rm{P} } }\_{v_y}$1.5
    ${k_{\rm{I} } }\_Roll\_AngleRate$0.02${k_{\rm{I} } }\_{v_y}$0.4
    ${k_{\rm{D} } }\_Roll\_AngleRate$0.001${k_{\rm{D} } }\_{v_y}$0.01
    ${k_{\rm{P} } }\_Yaw\_Angle$4${k_{\rm{P} } }\_ {\textit{z} }$4
    ${k_{\rm{P} } }\_Yaw\_AngleRate$0.3${k_{\rm{P} } }\_{v_ {\textit{z} } }$12
    ${k_{\rm{I} } }\_Yaw\_AngleRatetete$0.01${k_{\rm{I} } }\_{v_{\textit{z} } }$4
    ${k_{\rm{D} } }\_Yaw\_AngleRate$0${k_{\rm{D} } }\_{v_{\textit{z} } }$2.5
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  • [1] OZAWA R, CHAUMETTE F. Dynamic visual servoing with image moments for a quadrotor using a virtual spring approach[C]//Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation. [S. l.]: IEEE, 2011: 5670 − 5676.
    [2] 清华大学. 清华大学发明无人驾驶陆空两栖飞车[R]. 机器人技术与应用, 2020(4): 9.

    Tsinghua University. Tsinghua University invented driverless land-air amphibious flying car[R]. Robot Technique and Application, 2020(4): 9. (in Chinese)
    [3] KALANTARI A, SPENKO M. Design and experimental validation of hytaq, a hybrid terrestrial and aerial quadrotor[C]//Proceedings of 2013 IEEE International Conference on Robotics and Automation. [S. l.]: IEEE, 2013: 4445 − 4450.
    [4] 罗庆生, 陈胤霏, 刘星栋, 等. 一种小型陆空两栖机器人的选型分析与结构设计[J]. 计算机测量与控制, 2019, 27(4):213 − 217.

    LUO Qingsheng, CHEN Yinfei, LIU Xingdong, et al. Selection analysis and structure design of a small amphibian robot[J]. Computer Measurement & Control, 2019, 27(4):213 − 217. (in Chinese)
    [5] 冯宜明, 王建中, 施家栋. 基于自适应的变形式陆空机器人转域过程飞行控制[J]. 航空学报, 2019, 40(6):235 − 245.

    FENG Yiming, WANG Jianzhong, SHI Jiadong. Area transfer flight control of metamorphic air-land amphibious vehicles based on adaptive control[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2019, 40(6):235 − 245. (in Chinese)
    [6] 张佳林, 熊大顺, 毛子夏, 等. 新型陆空两栖平台技术发展与趋势[J]. 汽车工程学报, 2019, 9(5):332 − 341.

    ZHANG Jialin, XIONG Dashun, MAO Zixia, et al. Technology development and trends of state-of-the-art air-ground amphibious platforms[J]. Chinese Journal of Automotive Engineering, 2019, 9(5):332 − 341. (in Chinese)
    [7] 牛国臣, 李文帅, 魏洪旭. 基于双五次多项式的智能汽车换道轨迹规划[J]. 汽车工程, 2021, 43(7):978 − 986+1004.

    NIU Guochen, LI Wenshuai, WEI Hongxu. Intelligent vehicle lane changing trajectory planning based on double quintic polynomials[J]. Automotive Engineering, 2021, 43(7):978 − 986+1004. (in Chinese)
    [8] 王莹, 卫翀, 马路. 基于二次规划的智能车辆动态换道轨迹规划研究[J]. 中国公路学报, 2021, 34(7):79 − 94. doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2021.07.007

    WANG Ying, WEI Chong, MA Lu. Dynamic lane-changing trajectory planning model for intelligent vehicle based on quadratic programming[J]. China Journal of Highway and Transport, 2021, 34(7):79 − 94. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2021.07.007
    [9] 唐刚, 侯志鹏, 胡雄. 基于最小化snap方法的无人机多项式轨迹优化[J]. 计算机应用研究, 2021, 38(5):1455 − 1458.

    TANG Gang, HOU Zhipeng, HU Xiong. Polynomial trajectory optimization of UAV based on minimum-snap method[J]. Application Research of Computers, 2021, 38(5):1455 − 1458. (in Chinese)
    [10] 张洲宇, 曹云峰, 范彦铭. 基于局部方位信息的无人机避障轨迹规划[J]. 中国科学:技术科学, 2021, 51(9):1075 − 1087. doi: 10.1360/SST-2020-0225

    ZHANG Zhouyu, CAO Yunfeng, FAN Yanming. Local-bearing-information-based unmanned aerial vehicle collision avoidance trajectory planning[J]. Scientia Sinica: Technologica, 2021, 51(9):1075 − 1087. (in Chinese) doi: 10.1360/SST-2020-0225
    [11] 陈万明. 四涵道无人陆空车辆前飞姿态控制研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2016.

    CHEN Wanming. Research on forward flight attitude control of four ducted fan vehicle[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2016. (in Chinese)
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-30
  • 录用日期:  2022-03-07
  • 刊出日期:  2022-08-17

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