一种多旋翼多功能空中机器人的设计研究

针对当前空中机器人的机动性较差、飞行效率较低及功能种类单一等关键突出问题，本课题提出了一种结合腿轮式运动机构的新型多旋翼多功能空中机器人，它既可以实现灵活稳定的飞行，又能够实现壁面吸附和爬行的功能。在低空侦查、大气环境监测等军事和民用领域具有广阔的应用前景。. 课题拟结合空气动力学理论对空中机器人系统结构进行优化设计，开展系统动力学建模与仿真分析、多种运动模式转换的协调规划与混合控制等方面的研究，取得创新性的理论研究成果，并研制具有飞行和爬壁功能的新型多旋翼空中机器人系统原理样机，以验证所提出的理论方法。本课题的研究对提高空中机器人的功能多样性、飞行效率、机动性和稳定性等都具有非常重要的价值和意义。

针对新型多旋翼多功能空中机器人的系统设计、动力学建模、控制与规划等方面的研究已取得创新性理论研究成果。发表（待发表）学术论文11篇，其中包括IEEE Transactions等国际顶级期刊论文和ICRA等国际顶级会议论文。相关研究论文获得ICMA 2012大会最佳论文。设计研制了多旋翼多功能空中机器人原理样机并实验验证了理论研究成果。突破了若干关键的实验方法和技术问题，申请国家发明专利3项。本项目的研究成果对提高空中机器人的功能多样性、飞行效率、机动性和稳定性等都具有非常重要的价值和意义。.主要研究成果如下：.1、首次提出并设计了一种具有空中飞行、腿轮式爬壁行走和双臂空中操作的多旋翼多功能空中机器人，对机器人的结构进行了优化设计，成果包括：（1）基于旋翼的片条理论，提出一种旋翼的优化设计方法；（2）采用基于N-S方程的数值模拟方法，以气动分析结果为依据，对机器人的几个影响气动性能的关键部件的外形进行了优化；（3）依据旋翼的均匀作用盘理论对多旋翼之间的气动耦合进行了分析，并以此为基础进而对机器人多个旋翼的分布布局进行了优化。.2、针对新型多旋翼多功能空中机器人在空中飞行、爬壁行走、双臂空中操作等多种运动模式下的建模与控制问题，开展了较系统研究取得系列创新成果，包括：（1）研究了多旋翼多功能空中机器人考虑双臂与主体运动耦合的系统运动学与系统动力学；（2）率先对空中机器人在接触环境下的系统运动学与系统动力学进行了研究，形成了空中机器人与环境接触的相关理论模型；（3）提出将多旋翼多功能空中机器人的运动划分为多种模式，并基于不同模式的模型研究了各自模式下的运动控制方法；（4）采用混杂系统的相关理论建立了多旋翼多功能空中机器人在多运动模式间切换的混杂模型；（5）通过研究不同模式之间切换过渡的规划算法，设计实现了将各个模式下的运动控制综合为一体的混杂控制器。.3、研制了多旋翼多功能空中机器人原理样机并进行了实验研究，主要成果包括：（1）设计研制了一套六自由度的空中机器人实验平台，该实验平台可在地面上进行空中机器人的六自由度飞行测试，大大提高了测试的安全性和效率；（2）设计研制了一套四旋翼空中机器人原理样机，开发形成了一套完整的空中机器人软硬件系统；（3）进而在此基础上，设计研制了一套新型多旋翼多功能空中机器人原理样机，在原理样机上验证了所取得的理论研究成果。