面向抓取作业的飞行机械臂系统及其控制

面向飞行机械臂的飞行抓取作业,提出了一个由六旋翼飞行机器人和7自由度机械臂组成的飞行机械臂系统.系统采用分离式控制策略,即飞行机器人和机械臂各有一个控制器.机械臂运动所引起的系统质心和转动惯量的变化量及其导数被用来估计机械臂对飞行机器人的扰动力和力矩.为了减弱机械臂扰动对六旋翼飞行机器人的飞行控制性能的影响,提出了扰动补偿H∞鲁棒飞行控制器.实验结果表明,与没有扰动补偿的控制器相比,当机械臂运动时所提出的扰动补偿H∞鲁棒控制器对系统的飞行控制性能有明显的提升效果.最后,目标物抓取作业实验验证了所提出的飞行机械臂系统的可靠性.     

作业型飞行机器人研究现状与展望

作业型飞行机器人是指由飞行机器人(通常是旋翼飞行机器人)与作业装置(机械臂)共同组成的具有主动作业能力的一种新型机器人系统.由于主动作业装置与飞行机器人之间的紧密耦合,以及飞行机器人本身对外部干扰的敏感性,作业型飞行机器人系统的研究也面临着诸多难题,如:机械臂运动引起系统重心变化带来的建模与镇定问题,与外界持续接触作业时的安全协调控制问题,以及相应的运动学、动力学规划问题等等.本文将全面分析与总结近几年发表的资料与文献,对作业型飞行机器人系统及相应的动力学建模与耦合分析、自主控制等方面的主要研究成果进行综述,并对其中的关键问题与困难进行分析与展望.     

3自由度旋翼飞行机械臂系统动力学建模与预测控制方法

旋翼飞行机械臂(rotorcraft aerial manipulator,RAM)系统是安装在飞行机器人上的可操作型机械臂,悬停模式下执行准确的空中操作时旋翼无人机与所加机械臂之间存在相对扰动,通过分离机械臂与飞行机器人进行动力学建模并不能有效消除这种扰动.本文基于对相互扰动力学作用的分析建立整体动力学模型,并在悬停飞行模式下将其简化为线性控制参考模型.进而对旋翼系统控制延时所引起的动力学扰动进行补偿,同时设计预测控制器来消除末端执行器的位置和姿态误差.最后,在存在内部和外部扰动的情况下,设定销钉插入操作任务进行控制方法的对比仿真.末端执行器位姿偏差的仿真结果表明了模型结构与控制方法的有效性.     

旋翼飞行机械臂系统的混合视觉伺服控制

旋翼飞行机械臂是一种具有强耦合特性的机器人系统,借助视觉进行自主作业还存在诸多问题,如实时深度估计、目标极易丢失以及目标笛卡尔空间模型重建等.本文针对传统的基于图像与基于位置的视觉伺服的缺陷以及系统自身欠驱动等问题,建立了运动学模型和提出了基于力平衡原理的动力学联合建模,并通过欧几里得单应性矩阵分解设计出旋翼飞行机械臂系统的混合视觉伺服控制方法,在图像空间控制平移、笛卡尔空间控制旋转,减弱了平移与旋转之间的相互影响实现解耦效果,改善了系统对非结构因素的抗扰性能和全局稳定性.通过仿真和实验检验了系统鲁棒性和算法优越性.     

接触作业型飞行机械臂系统的力/位置混合控制

针对飞行机械臂系统移动接触作业问题,使用了一个力/位置混合控制框架,用以控制飞行器系统持续可靠地接触外部环境同时保持一定大小的接触力,并实现在接触过程中的期望轨迹跟踪.首先将作业空间分成2个子空间--约束空间和自由空间,并分别进行力控制和位置控制.对于力控制问题,证明闭环无人机系统是一个类弹簧-质量-阻尼系统,然后在约束子空间中设计逆动力学控制器来实现接触力控制.自由飞行空间中的运动控制依靠轨迹规划和位置控制器来实现.最后,开发了基于六旋翼飞行机器人的单自由度飞行机械臂系统,在飞行状态下进行接触墙面并跟踪倾斜直线轨迹的实验.结果显示本文所使用方法能够保证在平稳移动的同时控制期望的接触力.     

旋翼飞行机械臂建模及动态重心补偿控制

旋翼飞行机械臂是将多关节机械臂固连在旋翼飞行平台上而组成的一种面向主动任务操作的特殊系统,其飞行平台和机械臂之间存在强耦合特性.本文针对机械臂的规划运动对飞行平台的干扰问题,建立了系统运动学和动力学模型,并通过动态计算系统重心位置坐标,设计出基于backstepping的动态重心补偿控制方法,针对补偿项测量噪声问题设计了二阶低通滤波器,并使用Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性.仿真和实验均验证了在相同的参数条件下,具有动态重心补偿项的控制算法比没有重心补偿项的控制算法在轨迹跟踪和姿态稳定方面具有明显优势.     

一种带有重心调节机构的作业型飞行机器人建模与控制

针对作业型飞行机器人完成抓取、搬运等任务时所产生的重心偏移问题,设计了一种带有重心调节机构的作业型飞行机器人,并提出了一种重心调节控制策略.该方法通过对作业装置中的机械臂进行运动学推导,动态计算出机械臂运动时复合系统重心位置的改变量,利用力矩平衡方程计算得到调节机构所需转动的角度,从而实现对复合系统重心的调节.为验证所提出控制策略的有效性,在Matlab仿真环境中,分别研究了有无重心调节控制时机械臂运动对复合系统重心轨迹和定点悬停位姿的影响.通过户外实物实验测试了飞行机器人搭载负载情况下,调节机构在定点悬停作业时的稳定效果.实验结果表明,在所述控制策略下,重心调节机构能够在飞行机器人作业过程中实时调节复合系统重心的偏移量,验证了控制策略的有效性.     

输入约束下多旋翼飞行机器人的大范围镇定控制

多旋翼飞行机器人具有良好的飞行稳定性,受到了越来越多的关注.而在某些特殊应用中,如:从较大飞行器上实施空投、瞬态失稳恢复等,往往需要多旋翼飞行机器人从一个高度不稳定的非零初始状态安全、快速地切换到稳定飞行模态,这就是所谓的大范围镇定控制问题.解决该问题面临的主要困难是如何在调节过程中避免飞行机器人进入到输入饱和区,从而引起周期旋转运动,导致系统完全失控.本文针对该问题,以四旋翼飞行机器人为例,详细分析了控制输入约束形式,并对6自由度模型进行了适当简化,构建了二维平面下考虑控制输入约束的非线性动力学模型;在此基础上,基于控制Lyapunov函数概念,提出了一种改进的广义逐点最小范数控制策略,构建了输入约束下的四旋翼飞行机器人大范围镇定控制器.该方法具有明确的解析控制结构,所设计的控制器满足四旋翼飞行机器人的全部控制输入约束.仿真结果表明,对比常规的线性化控制策略,该方法能在考虑控制约束的前提下避免控制器失效,实现四旋翼飞行机器人的大范围渐进稳定.     

作业型飞行机器人抓取后重心偏移的轨迹跟踪控制

作业型飞行机器人是指能够对环境施加主动影响的飞行机器人, 它通常由旋翼飞行器与机械臂组合而成. 本文针对作业型飞行机器人在动态飞行抓取后, 重心位置变化产生的系统控制难题, 设计了有效的跟踪控制策略. 首先, 在系统建模时引入重心偏移系统参数和重心偏移控制参数, 并考虑惯性张量不为常数, 提高了系统建模的精度. 然后, 在姿态解算时, 考虑重心偏移对系统性能的影响, 构建包含重心偏移系统参数的解算方法, 得到更高精度的期望翻滚角和期望俯仰角. 接着, 设计了基于滑模控制的重心偏移补偿位置控制器, 实现了有效的位置跟踪控制. 同时, 在姿态反演控制器的基础上, 加入自适应律估计重心偏移控制参数和变化的惯性张量, 再通过小脑神经网络逼近惯性张量的真实值, 提高姿态控制器的精度. 最后, 给出了所设计控制器的稳定性证明, 并在仿真环境下验证了所提出的方法的有效性和优越性.     

一种视觉引导的作业型飞行机器人设计

针对作业型飞行机器人执行抓取、投放等作业任务时飞行机器人与被抓取目标之间难以相对定位的问题,提出了一种视觉引导的作业型飞行机器人设计方法.首先,介绍作业型飞行机器人系统的整体机构设计,建立飞行器和空中作业装置的运动学和动力学模型.然后,根据针孔成像模型,在ArUco标记尺寸已知的前提下,通过机载的单目摄像头检测被抓目标上的ArUco标记,利用n点透视(PnP)算法解算摄像头位姿,进而利用摄像头位姿信息对飞行器和作业装置进行分级控制.最后,通过静止实验和户外悬停实验验证了位姿估计算法的有效性,并通过自主抓取直径2 cm、质量100 g的管状物体进一步验证视觉引导的有效性和合理性.     

A Survey of Motion Planning Algorithms from the Perspective of Autonomous UAV Guidance

A fundamental aspect of autonomous vehicle guidance is planning trajectories. Historically, two fields have contributed to trajectory or motion planning methods: robotics and dynamics and control. The former typically have a stronger focus on computational issues and real-time robot control, while the latter emphasize the dynamic behavior and more specific aspects of trajectory performance. Guidance for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), including fixed- and rotary-wing aircraft, involves significant differences from most traditionally defined mobile and manipulator robots. Qualities characteristic to UAVs include non-trivial dynamics, three-dimensional environments, disturbed operating conditions, and high levels of uncertainty in state knowledge. Otherwise, UAV guidance shares qualities with typical robotic motion planning problems, including partial knowledge of the environment and tasks that can range from basic goal interception, which can be precisely specified, to more general tasks like surveillance and reconnaissance, which are harder to specify. These basic planning problems involve continual interaction with the environment. The purpose of this paper is to provide an overview of existing motion planning algorithms while adding perspectives and practical examples from UAV guidance approaches.     

双机械手对称协调力/位混合控制——模型、控制算法与实现

该文研究双手协调运动和力控制方法.基于一组面向对象的广义运动和力向量的定义, 考虑对象动力学,建立了面向对象的双手对称协调运动方程,该运动方程显式地表示了对象的 运动、内力及环境接触力与双手关节力矩间的关系.据此设计出广义工作空间一级的双手对 称协调力/位混合控制算法,并解决了算法的分解与并行实现问题.在两台PUMA562机械手 上进行的实验表明,本文研究的方法,可以在双手协调运动过程中实现对被操作对象的运动、 内力和环境接触力的混合控制.     

柔索牵引式力觉交互机器人控制策略

为了让航天员在没有太空真实环境的地面上模拟太空环境进行虚拟作业训练,设计了一种与虚拟现实（VR）技术相结合的柔索牵引式力觉交互机器人．首先,根据微重力环境中物体的运动特性设计机器人的构型,建立移动平台、驱动单元、人推物体运动过程的动力学模型并进行运动学分析．然后,针对系统冗余驱动及力控制任务,提出一种复合控制策略,即以柔索长度变化为速度控制内环,力的外环控制为力／速混合控制．最后,分别进行单柔索加载和人机系统力觉交互仿真分析,分析结果表明该控制策略可以使柔索驱动单元降低10%的恒力跟随误差并能稳定地跟随余弦力的变化,验证了该控制策略对多余力抑制的有效性．     

Robust design and task-priority control for rescue robot HURCULES

This paper proposes a novel design strategy and task-priority-based control methodology for a robot to successfully complete a rescue operation in an extremely unstructured environment. The mechanical structure is designed to obtain both versatile manipulability and all-terrain mobility. The regularized hierarchical quadratic program is used for whole-body motion and force control. The optimization strategy is reasoning about regularization and thus it ensures convergence of the solution in the face of singularities while taking into account equality and inequality constraints. We demonstrate the effectiveness of the online optimization-based control algorithms through extensive real-world numerical and experimental results. Finally, we highlight that the rescue robot can successfully execute missions to extract a casualty and dispose of a dangerous object both indoor and outdoor environments.     

Stability of small-scale UAV helicopters and quadrotors with added payload mass under PID control

The application of rotorcraft to autonomous load carrying and transport is a new frontier for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). This task requires that hovering vehicles remain stable and balanced in flight as payload mass is added to the vehicle. If payload is not loaded centered or the vehicle properly trimmed for offset loads, the robot will experience bias forces that must be rejected. In this paper, we explore the effect of dynamic load disturbances introduced by instantaneously increased payload mass and how those affect helicopters and quadrotors under Proportional-Integral-Derivative flight control. We determine stability bounds within which the changing mass-inertia parameters of the system due to the acquired object will not destabilize these aircraft with this standard flight controller. Additionally, we demonstrate experimentally the stability behavior of a helicopter undergoing a range of instantaneous step payload changes.     

基于机器视觉的目标定位与机器人规划系统研究

为完成机械臂在非特定复杂背景环境下的自主抓取,通过设计RGB-D相机对场景内的物体进行实时检测,采用基于深度学习的目标检测定位方法,并对相机-机械臂-目标物体的三维标定模型进行研究。将物体的三维坐标信息通过ROS话题机制发送给机械臂,并通过moveIT编程规划抓取规划。 通过设计一套基于ROS的视觉检测和机械臂抓取系统,将计算机视觉检测技术以及机械臂运动规划抓取应用在机器人操作系统ROS平台上。实验结果表明,该系统可以实时高效地操作机器人来完成指定的控制作业,提高了系统对环境的适应能力,该系统具有抓取准确、物体识别准确率高的特点,解决了传统机械臂操控中的不足。     

基于物联网的输电线路巡检机器人控制策略研究

完整设计一种具有自主协调运动功能的小型电力输电线路的巡检机器人,为了实现机器人自主越过塔头和绝缘子串,同步感知适应不同档距的杆塔以及多个机器人在一定长度的作业范围内能够协调运动作业。本文重点研究基于自抗扰控制技术的多机协调控制策略。同时考虑到输电线路环境的复杂性,在设计机器人本体中,引入了基于物联网框架的多传感器融合算法。最后通过算法仿真和设计制作实物样机,测试本实验装置和控制策略的有效性。     

On cooperative manipulation of dynamic objects

This paper proposes a decentralized position/internal force hybrid control approach for multiple robot manipulators to cooperatively manipulate an unknown dynamic object. In this approach, each autonomous robot has its own controller and uses its own sensor information in performing the fast cooperation. This approach eliminates a lot of information communications between each robot and reduces numerous computations. The influences of the position and the internal force estimation errors to the overall control system is analyzed. A cooperative identification method for each autonomous robot to identify the object's complex dynamics, cooperatively, is presented. In addition, the trade-off between the unilateral force constraint and the robots' position response is studied. Experiments show the effectiveness of this control approach.     

新型多旋翼作业型空中机器人自抗扰控制

针对输电线路树障清理作业任务对空中机器人平台稳定性、平动性和抗扰性的高要求,为克服传统平面配置多旋翼无人机姿态配合式位置移动的缺点,本文在全驱动多旋翼飞行器设计思想的启发下,提出并设计了一种无需姿态配合即可实现前后平移运动的非平面作业型多旋翼空中机器人.首先分别建立其姿态的运动学和动力学模型,然后采用自抗扰控制技术设计了该机器人的位置和姿态跟踪控制律.多组仿真和样机实验结果表明,本文所设计的非平面配置旋翼空中机器人在作业过程中的接触力扰动下具有良好稳定性、平动性和抗扰性.     

Adaptive multi-mode switching strategy for the spherical underwater robot with hybrid thrusters

The conventional autonomous cruise and tracking system cannot transition and change its motion mode according to the underwater environment during operation, so it is of great significance to study the multi-mode switching of cruise control for Autonomous Underwater Vehicles (AUVs). In this paper, a Multi-Mode Adaptive Switching (MMAS) strategy for the Spherical Underwater Robot with Hybrid Thruster (HPSUR) was proposed, which provided the possibility for the robot to choose optimal control mode according to the unpredictable operating environment. Then, the dynamic and force of the hybrid thruster are analyzed to improve the accuracy of multi-mode switching, and the MMAS strategy is developed linking the attitude adjustment and switching problems. Furthermore, a series of multi-mode switching experiments were conducted using water-jet mode, propeller mode and hybrid mode. Finally, the experimental result was discussed, which verified the effectiveness and accuracy of the proposed MMAS strategy. The proposed control strategy has a certain reference value for the multi-mode switching of propulsion devices.