重型载荷在多旋翼无人机上的最佳放置位置以实现最优控制性能
系统与控制
2026-01-21 v1 系统与控制
摘要
本文研究了刚性连接的重型载荷放置——其中载荷质量显著影响无人机动力学——对多旋翼无人机（UAV）稳定性和控制性能的影响。我们特别关注此类载荷相对于飞行器重心（Center of Gravity, CoG）的位置如何影响无人机上任意感兴趣点（如载荷位置）的稳定性和控制性能，以及如何优化该位置。我们的结论基于两个关键贡献。首先，我们分析了带载荷无人机的完整非线性模型的零动态稳定性。我们证明，零动态的稳定性取决于受控输出位置与带载荷无人机组合重心之间在机体坐标系中的垂直有向距离。具体而言，将输出置于重心下方会产生不稳定的零动态，而将其置于上方时，线性化的零动态是临界稳定的，表明对输入扰动的敏感性降低。其次，我们通过提供 H2 范数的解析表达式来分析带载荷的线性化无人机模型的性能，据此我们可以量化系统对白噪声输入扰动的衰减能力。我们得出结论，对于闭环白噪声扰动抑制能力，较小的控制权限会导致受控输出相对于重心的最优位置更高，当重型载荷本身是受控输出时也是如此。通过数值算例说明了这些结果。
引用
@article{arxiv.2601.13958,
title = {Where to Place a Heavy Payload on a Multirotor UAV for Best Control Performance},
author = {Sander Doodeman and Paula Chanfreut Palacio and Elena Torta and Duarte Antunes},
journal= {arXiv preprint arXiv:2601.13958},
year = {2026}
}