风机叶片在线修复机器人姿态控制系统设计

摘要

针对风机叶片在线修复机器人在升降及贴近叶片过程中易出现偏摆、晃动及贴近困难等问题，提出了一种基于四旋翼平台的风机叶片在线修复机器人姿态控制系统。首先，结合风机叶片在线修复作业特点，分析了机器人在升降与贴近叶片阶段的姿态调整过程及受力情况，在此基础上完成了姿态控制系统的总体设计。其次，基于牛顿–欧拉方程建立了四旋翼修复机器人的动力学模型，系统描述了机器人姿态与位置变化之间的耦合关系，为控制算法设计和仿真分析提供了理论依据。随后，利用Simulink平台搭建了基于PID控制策略的姿态与位置控制模型，分别对横滚角、俯仰角及空间位置响应特性进行了仿真验证。仿真结果表明，当横滚角和俯仰角初始偏离角度为10°时，所设计的姿态控制系统能够在2 s内恢复至稳定状态；在目标贴近距离设定为30 cm的情况下，机器人约在4 s内即可达到预期位置，系统响应速度快、稳定性良好。所提出的姿态控制系统能够有效抑制升降过程中的姿态扰动，提高机器人贴近风机叶片时的控制精度与稳定性，可为风机叶片在线修复作业提供可靠的技术支撑。

关键词

叶片修复 / 四旋翼 / PID控制 / 牛顿-欧拉方程 / Simulink仿真 / 动力学模型