基于分层运动分解的飞行机械臂视觉伺服控制

飞行机械臂系统具有主动作业能力,通过搭载视觉传感器感知周围环境,系统的自主能力将进一步提高.然而,考虑到无人机的欠驱动和整个系统的非线性特性,飞行机械臂系统的视觉伺服控制仍然是一项具有挑战性的工作.本文在充分考虑机械臂对无人机的力/力矩作用后,提出了一种基于分层运动分解的飞行机械臂视觉伺服控制方案.首先,对飞行机械臂系统的运动学和动力学模型进行分析.然后,根据所得的相机运动学模型,通过基于图像的视觉伺服控制获得相机的期望速度,进而制定无人机和机械臂的速度分配策略.在考虑机械臂运动时对无人机产生的力/力矩影响,设计了底层的飞行控制器.最后,在与现有方法的仿真对比中可以看出,所提方法具有良好的控制性能,对图像特征点位置的不确定性及图像噪声也表现了较好的鲁棒性.     

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.     

机械臂视觉伺服控制系统的设计

针对传统机械臂无法更好的适应外部坏境的变化,提出了基于双目视觉的机械臂伺服控制系统的设计。首先用D-H建模法对机械臂进行运动学分析以及运动学求解,然后利用数字图像处理技术,基于SURF特征完成目标物体的识别以及双目立体视觉的测量,从而为机械臂的动作提供目标物体在空间中的坐标。最后,对目标测距的精度进行了结果验证,并完成抓取动作。     

基于规定性能的六自由度机械臂视觉伺服控制

针对六自由度手眼机器人系统,提出了一种新的基于图像的视觉伺服方法,该方法对图像特征坐标误差施加规定的瞬态和稳态响应,满足了由于相机视场(FOV)限制而产生的可见性约束.关键思想是提供一个误差转换,将相机视野限制可视化为误差范围,在此基础上提出规定性能函数并设计控制器,然后,证明控制器的稳定性足以满足规定的性能保证和固有...     

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.     

基于位置的机械臂视觉伺服预测控制

基于位置的机械臂视觉伺服控制需要解决位姿估计和目标跟踪控制问题.为了克服机械臂运动过程中的运动空间约束,提出了基于滚动时域估计(MHE)的机械臂位姿估计方法.在位姿估计的基础上,利用对偶梯度上升方法以及拉格朗日乘子处理具有控制输入约束的优化问题,并给出了基于迭代线性二次调节(iLQR)的视觉伺服预测控制器设计方法.进一步,采用极点配置方法设计了扩张状态观测器(ESO)用于解决估计误差和线性化误差引起的扰动问题.进而,给出了保证闭环系统稳定的充分条件.最后,通过仿真对比验证了本文所提算法的有效性和优越性.     

面向旋翼无人机目标追踪的解耦视觉伺服方法

传统的机器人PID控制方法因结构简单在复杂环境中的鲁棒性与稳定性较差,而传统视觉伺服控制系统的闭环反馈机制影响强耦合系统的控制效果。针对传统机器人PID控制与视觉伺服在旋翼无人机追踪问题中的不足,提出一种解耦的视觉伺服追踪方法。利用费尔曼链码的目标特征提取算法提取目标的特征点,建立特征点误差与速度之间的视觉伺服模型,通过姿态调节去除俯仰角与滚转角的影响,采用动力学扩展方法将运动参数从4个自由度扩展为6个自由度,设置在线速度空间与角速度空间上独立的伺服增益。在仿真条件与实物条件下进行旋翼无人机追踪实验,结果表明,相比传统的视觉伺服与PID方法,该方法目标丢失概率更小,追踪效果更好。     

视觉伺服机械臂手机抓取最佳位姿检测

针对下水道、勾缝等狭窄位置的手机拾取的问题, 本文提出一种基于机器视觉的伺服机械臂抓取方法. 首先对机械臂eye-in-hand上的相机进行标定, 图像预处理及目标检测等, 在位姿检测中提出一种基于二维坐标系下手机位姿解算算法, 得出解算的最佳位姿角只与夹持点的像素坐标的差值有关, 其位姿角的大小决定了手抓旋转的角度....     

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.     

一种拟人空间机械臂视觉伺服图像处理研究

针对四自由度串并混联拟人空间机械臂本体,构建了基于运动控制卡模式的机器人软件和硬件系统。采用基于位置的控制结构,利用所求得的机械臂逆运动学方程,设计了由图像反馈和末端运动组成的视觉伺服控制系统。提出了一种基于SURF特征的静态目标识别算法,算法首先对目标图像提取SURF特征,并利用欧氏距离实现模板图像与目标图像特征点匹配,然后计算已匹配特征点的质心来获得目标的位置信息,最终实现了稳定的伺服定位。实验结果证明了系统的可靠性,并且证明了四自由度串并混联机械臂本体在实际运动的精确性和稳定性。     

State transformation-based dynamic visual servoing for an unmanned aerial vehicle

In this paper, we propose a visual servoing control for a quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV) which is based on a state transformation technique. The UAV is equipped with a single downwards facing camera, and the motion control objective is the regulation of relative displacement and yaw to a stationary visual target located on the ground. The state transformation is defined by a system of partial differential equations (PDEs) which eliminate roll and pitch rate dependence in the transformed image feature kinematics. A method for computing the general solutions of these PDEs is given, and we show a particular solution reduces to an established virtual camera approach. We treat point and line cases and introduce image moment features defined in the virtual camera image plane. Robustness of the control design is improved by accounting for attitude measurement bias, and uncertainty in thrust gain, mass, and image feature depth. The asymptotic stability of the closed-loop is proven. The method is based on a simple proportional-integral-derivative (PID) structure which can be readily implemented on-board. Experimental results show improved performance relative to previous work.     

Vega开发无人机模拟飞行视景系统

"某型无人机模拟飞行系统"是一个用于模拟无人机飞行的全任务试飞仿真系统,而视景系统作为整个仿真系统的终端显示平台,其开发的优劣直接影响到整个系统的综合性能;针对传统视景系统建模周期慢、仿真效果差等特点,提出了一种利用仿真软件Vega开发视景系统的方法,使用Creator中的"贯通面"、LOD、DOF技术建立了逼真的无人机和地景模型,Lynx搭建底层模型文件,基于MFC的Vega编程控制无人机位姿、视点、舵面偏转等,至此完成无人机视景系统的驱动;无人机试飞实验证明,该视景系统取得了比传统视景系统更好的效果。     

存在视觉盲区的小型无人机群自主控制

小型无人机自身负载小,所能携带的通信设备比较有限,可以安装鱼眼镜头作为相互之间的视觉通信设备以扩大无人机的可视范围,但鱼眼镜头仍然存在视觉盲区.为了解决这一问题,论文提出了存在视觉盲区的小型无人机群自主控制算法.论文的主要思想是,首先,对无人机的飞行时的运动状态进行分析,进而建立其飞行时的运动学方程;其次,针对无人机飞...     

无人机半实物仿真系统研究

针对某型无人机飞行控制系统,设计该飞行控制半实物仿真系统,阐述了该系统的构成、工作原理,并介绍了仿真软件,最后给出在该系统上半实物仿真的结果。结果表明,该系统能为自动驾驶仪创造一个很好的仿真环境,通过它可以较为全面地对飞行控制系统进行调试,极大地节约了试验成本和调试时间,对无人机飞行品质评估和加快无人机研制进度有很重要的意义。     

基于全局视觉的轮式移动机器人轨迹跟踪控制

将视觉伺服控制思想引入到全局视觉条件下的轮式移动机器人轨迹跟踪控制中,提出一种基于消除图像特征误差的控制方法.讨论并推导了包含电机模型的非完整移动机器人动力学方程,设计了鲁棒速度跟踪控制器.实验结果证明了文中方法的有效性.􀁱     

一种新的机器人手眼关系标定方法

通过控制装有摄像机的机械手的运动,给出了一种新的机器人手眼系统标定方法．与以往算法的不同之处在于,在计算手眼关系的平移向量时,对摄像机坐标系进行虚设旋转变换使旋转转化为平移问题．该方法需要机械手平台做两次平移运动和一次旋转运动,只需要场景中两个特征点,所以具有方便性和实用性．同时,也给出了基于主动视觉的空间点深度值计算方法．     

动态事件触发的无人机非线性系统故障检测

本文在Hi/H1优化框架下, 研究基于动态事件触发的无人机非线性系统故障检测问题. 高空、长航时无人机需要通过通信网络与地面站进行数据交互, 以实现故障检测等复杂功能. 为了充分利用有限的通信资源, 采用动态事件触发机制决定是否将测量输入输出数据传送给故障检测模块, 若传输数据不满足触发条件则被丢弃, 因此,故障检测性能不仅受到干扰和故障影响, 还受到非事件触发时刻数据与实际系统数据误差影响, 即事件触发传输误差影响. 为此, 针对无人机非线性系统, 提出一种新的动态事件触发Hi/H1故障检测方法. 该方法可以在动态事件触发条件下, 实现故障检测滤波器残差与事件传输误差完全解耦, 能够避免连续通信和Zeno现象. 在Hi/H1优化框架下, 通过Riccati方程递归计算, 得到动态事件触发故障检测滤波器的最优解. 最后, 以无人机非线性姿态控制系统为例, 验证所提方法的有效性和可行性.     

无人机多传感器数据融合研究综述

随着相关技术的快速发展, 无人机所搭载的传感器愈发精确和多样, 赋予了无人机强大的感知能力, 也使得多传感器数据的处理分析成为无人机应用的一大挑战. 数据融合是解决这一问题的关键技术, 其通过检测、关联、组合、估计的流程实现多传感器数据的融合利用, 获取准确的无人机状态和目标信息为决策提供支撑. 对无人机的多传感器数据融合研究展开综述: 介绍无人机系统组成; 回顾并分类无人机多传感器数据融合方法, 在此基础上分析比较各类方法的特点; 归纳概述无人机多传感器数据融合在不同领域中的应用现状; 最后展望无人机多传感器数据融合的未来发展方向.