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.     

机械臂在未知环境下基于力/位/阻抗的多交互控制

针对人-机械臂交互的不确定性以及环境的未知性,提出了一种基于速度控制的方法来研究人、机械臂和环境三者之间的交互问题.首先通过在机械臂末端安装2个6维力传感器来实现交互力的检测,并在末端工具连接处增加单自由度柔性环节来实现机械臂的柔顺性.其次,基于i Ta SC(instantaneous task specification using constraints)方法对机械臂与工具系统的柔顺度建模,在输出空间中建立起速度/位置与力的关系,实现机械臂与环境之间接触力的控制,通过刚度矩阵实现人对机械臂的拖动控制.另外结合力/位/阻抗混合控制方法实现了在安全区域约束下人拖动机械臂来完成一系列基于位置/力的任务,并与未知环境之间达到一个良好的交互.最后将提出的算法在UR5机械臂上进行轮廓跟踪任务的验证,实验结果表明该方法能达到一个较好的交互控制效果.     

一种用于接触作业的全驱动旋翼飞行机械臂设计与实现

传统欠驱动旋翼无人机的动力单元推力方向平行,无法在不改变姿态的情况下产生横向推力,限制了飞行机械臂的交互能力与应用场景。针对此问题,本文设计了一种全驱动旋翼飞行机械臂,通过倾斜动力单元的安装角度改变推力的方向,根据该结构设计了控制分配矩阵进而验证其全驱动特性,并从控制结构上实现了位置与姿态的独立控制;提出了用于接触作业的飞行机械臂的接触力控制方法,将接触检测任务分为接近阶段与移动接触阶段,采用力/运动混合控制器完成接触面法线方向上的力控制。户外实验结果表明,所设计的全驱动旋翼飞行机械臂实现了稳定飞行和移动接触作业,与欠驱动平台相比,飞行过程中的位置移动不依赖于姿态改变,姿态角稳定在±1.5?以内,且在移动接触过程中实现了接触面法线方向上的接触力控制。     

作业型飞行机器人动态滑翔抓取的鲁棒自适应控制

作业型飞行机器人是指将多自由度机械臂固连在飞行机器人上的一类新型机器人系统,它能够对周围环境施加主动影响,同时也存在较为复杂的动力学性能.本文针对作业型飞行机器人滑翔抓取物体时所受到的摩擦力和接触力问题以及在飞行过程中产生的转动惯量变化问题,设计了一种整体式鲁棒自适应控制策略.首先在作业型飞行机器人系统动力学建模中引入摩擦力和接触力模型,考虑飞行机器人转动惯量为有界变量,提高了建模和抓取的精度.然后,为减弱滑翔抓取产生的剧烈扰动对飞行控制性能的影响,设计了一种抗扰动的鲁棒自适应控制器,并使用区间矩阵法对转动变量变化进行补偿控制.接着,通过Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性.最后通过仿真对比实验,验证了所提出方法的有效性和优势.     

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.     

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.     

基于时间延时估计和自适应模糊滑模控制器的双机械臂协同阻抗控制

多机械臂的精准协同控制已成为当前机器人领域的研究难点,为实现双机械臂精准控制,通过建立双机械臂动力学模型,采用时间延时估计简化机械臂动力学模型,在保证控制系统稳定性的前提下,引入自适应模糊滑模控制器实现对估计误差的修正和补偿,设计基于时间延时估计和自适应模糊滑模控制的双机械臂协同阻抗控制器,实现双机械臂协同操作的末端轨迹控制以及接触力精准控制.最后,将该控制器应用于两台六自由度机械臂仿真平台,实现双臂夹取和搬运同一目标物体的操作,通过与其他控制器进行对比实验,表明所设计的控制器具有响应快、无抖震、精度高的特点.     

一种基于行为控制的两自由度机械臂智能控制器

基于行为的控制方法相对于传统的控制方法在解决未知环境中的机器人中有着更好的鲁棒性和实时性.本文提出了一种基于反应式行为控制的智能控制器,以强化学习作为智能控制器的学习算法.通过采用评价-控制模型,该智能控制器能够不依赖于系统模型,通过连续地在线学习得到机器人的行为.将该智能控制器应用到两自由度仿真机械臂的控制中,仿真结果表明该智能控制器可以实现对两自由度机械臂的连续控制,使其能够迅速达到目标位置.     

基于Matlab机械臂力控系统仿真研究

以位置控制为主的机械臂控制方法已不能满足某些复杂环境（装配、抛光、去毛刺）的应用要求,控制机械臂与环境间的接触力已成为机器人学研究的一个热点。提出一种在Matlab/SimMechanics环境下平面二自由度机械臂力控制的仿真研究方法。在平面中模拟机械臂与环境的接触面,设计振荡抑制控制器,实现机械臂与环境间接触力的控制,以及机械臂与刚性环境碰撞接触过程中冲击振荡阶段的振荡抑制,生成机械臂期望的运动轨迹。仿真结果表明,该方法可实现特定作业下机械臂与环境间接触力的控制。     

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.     

Stable impact and contact force control by UAV for inspection of floor slab of bridge

ABSTRACT

This paper describes the contact force control on an unmanned aerial vehicle (UAV) developed to inspect the floor slabs of bridges. Our UAV is equipped with a three degree-of-freedom manipulator on top of the UAV body. To control the UAV for stable contact with the slab surface, the impact force should be considered. The impact force is modeled based on Hertzian contact stress. The control strategy of the UAV is cascade control separated into attitude control and position-force control. The attitude, position and force feedback are PID control. The force feedback is integrated into the position feedback seamlessly, and the output of the force feedback is added to the desired end-point position of the manipulator. This paper focuses on contact of the UAV and the floor slab. Therefore, the UAV is modeled considering the impact force in the vertical direction. The control method in the vertical direction is described, and then the altitude control and the contact force control are assessed. The altitude of the UAV was controlled with a 0.45?[sec] delay during ascending and 1.76?[sec] during descending. The UAV could control the contact force with mean error 1.61 ± 1.08?[N] while the desired contact force was 3?[N].     

基于Unity物理引擎的多旋翼无人机仿真模型

本文主要基于Unity物理引擎, 以四旋翼无人机作为研究对象, 通过建立无人机运行模式的数学模型, 进行仿真模型研究.一方面, 通过将无人机受力模型直接应用在电机对应位置, 来仿真现实物体的受力状态, 从而免去了对模型的刚体数学建模, 简化了仿真建模过程; 另一方面, 通过分析无人机运动原理, 对无人机进行动力系统和控制系统建模, 其中控制系统采用串级PID控制算法进行姿态控制; 本文最后, 通过飞行实验和测试验证了无人机模型的稳定性、有效性, 满足了四旋翼无人机的仿真要求.     

倾转式三旋翼无人机的自适应鲁棒容错控制

本文针对受到外界未知扰动和模型不确定性影响的倾转式三旋翼无人机,研究了其在尾部舵机发生堵塞故障时的容错控制问题.通过对倾转式三旋翼无人机姿态动力学特性的分析,将尾部舵机堵塞故障加入到力矩解算方程中.基于自适应反步法和非奇异终端滑模控制,提出了一种不需要故障诊断的鲁棒容错控制设计.利用基于Lyapunov的分析方法证明了闭环系统的稳定性,以及姿态误差的渐近收敛性质.通过在三旋翼无人机半实物仿真平台的实时实验以及与滑模控制器的对比,验证了该算法在无人机尾部舵机发生堵塞故障时,对姿态运动具有较好的控制效果.     

用于清洗绝缘子的四旋翼无人机抗回冲力控制

本文主要针对利用四旋翼无人机清洗绝缘子时受到的回冲力干扰及姿态控制问题,提出了一种用于清洗绝缘子的无人机抗回冲力控制方法.对于无人机系统,本文运用非线性控制方法中的反步法来设计姿态控制器,使其达到输入状态稳定,并对外部扰动具有鲁棒性.本文首先根据无人机运动模型建立了其动力学方程.之后,运用动量定理和流体力学中的伯努利方程对所受的回冲力进行建模.然后,运用反步法设计姿态控制器并证明其稳定性.最后,运用MATLAB对无人机系统进行仿真实验,其结果证明了文中所提出的控制方法的有效性和鲁棒性.本文所提出的控制方案可以避免目前已有的一些技术存在的缺陷,并且为无人机抗扰动控制和绝缘子冲洗都提供了发展空间.     

Decentralized nonlinear robust control of UAVs in close formation

This paper treats the design of a decentralized nonlinear robust control system for formation flying of multiple unmanned aerial vehicles (UAVs). In close formation, it is assumed that vortex of any UAV affects the motion of all the UAVs behind it. The forces produced by these vortices are complex functions of relative position co‐ordinates of the UAVs. In this paper, these forces are treated as unknown functions, which cannot be parameterized. Since the system is not invertible in the wind axes system, a simplified co‐ordinate system obtained from the wind axes system for which the velocity roll (bank angle) is zero, is considered for the design of the control system. A nonlinear robust control system for the separation trajectory control of the wing aircraft in the simplified wind coordinate system is derived. Uncertain functions and unmeasured variables are estimated using a high‐gain observer for the synthesis of the control system. Each wing UAV synthesizes its control law using its own state variables and the relative position of the preceding UAV with respect to the wing UAV. Thus the control system is decentralized since each UAV has to communicate (depending on sensors for position measurement) with at most one (preceding) UAV, and no data transmission from the remaining vehicles is required. Simulation results for two UAVs are presented which show precise separation trajectory control of each wing UAV in spite of the presence of unknown and unstructured vortex forces, while the lead aircraft maneuvers. Furthermore, these results confirm that when the wing aircraft is positioned properly in the vortex of the lead aircraft, it experiences reduction in its required flight power. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于CFD方法的固定翼无人机着陆控制建模

为了实现固定翼无人机低速平稳着陆的目的,以某型无人机为例,阐述以计算流体动力学(CFD)方法求解固定翼无人机气动力系数的过程,即构建飞机几何模型、设定计算域并划分网格、基于非耦合隐式求解器求解在K-E湍流模型下各飞行状态的气动系数.提出以较大迎角低速滑翔降落的着陆控制方法,基于求解的气动特性,计算飞机降落前的理想状态,并基于状态反馈的纵向控制律实现着陆控制.在Simulink环境中,基于AeroSim工具箱构建仿真程序,验证了方法的有效性.     

Adaptive fractional-order nonsingular fast terminal sliding mode formation control of multiple quadrotor UAVs-based distributed estimator

This paper mainly solves two major problems that are unavoidable in leader–follower formation process of quadrotor UAV group: the existence of external uncertainty disturbance and communication limited between quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV) group. To solve the problem that only one of the followers in the leader–follower formation can obtain the leader's information, an improved distributed estimator is proposed in this paper, which can accurately estimate the leader's information for each follower. In addition, in order to eliminate the influence of uncertain external disturbance on the performance of quadrotor UAV, an adaptive estimation law is designed based only on velocity and position variables. For the attitude and position subsystem of the quadrotor UAV, a sliding surface with fractional-order term is designed. Which makes the quadrotor UAV tracking error system obtain good robustness at the stage of reaching the sliding surface and fast convergence and accurate tracking performance in the sliding stage. Based on Lyapunov stability theory, the convergence results are analyzed strictly. The results show that the algorithm can make the position distance between leader and followers converge to the desired offset. Simulation results verify the effectiveness and superiority of the control algorithm.     

面向通信负载均衡的轨迹优化技术研究

应急救灾场景下,无人机可以作为应急通信设备搭建应急通信网络;在多无人机构建的应急通信系统中,无人机的负载情况会影响地面用户的通信质量;面向通信负载均衡,对多无人机通信系统中无人机的轨迹优化技术进行了研究;提出了无人机轨迹优化模型,分别设计了基于用户位置和基于无人机负载的虚拟力场计算公式;以虚拟力场为依据,提出了无人机轨迹控制方法,给出了详细无人机运动控制流程;仿真实验验证了算法在无人机轨迹优化的有效性,平衡了无人机之间的用户负载,提高了用户的通信吞吐量.     

Stable camera position control of unmanned aerial vehicle with three‐degree‐of‐freedom manipulator for visual test of bridge inspection

This paper describes a camera position control with aerial manipulator for visual test of bridge inspection. Our developed unmanned aerial vehicle (UAV) has three‐degree‐of‐freedom (3‐DoF) manipulator on its top to execute visual or hammering test of the inspection. This paper focuses on the visual test. A camera was implemented at the end of the manipulator to acquire images of the narrow space of the bridge such as bearings, which the conventional UAV without the camera‐attached manipulators at its top cannot achieve the fine visual test. For the visual test, it is desirable that the camera is above the body with enough distance between the camera and the body. As obvious, the camera position in the inertial coordinate system is effected by the movement of the body. Therefore we implement the camera position control compensating the body movement into the UAV. As a result of an experiment, it is assessed that the proposed control reduces the position error of the camera comparing the one of the body. The mean position error of the camera is 0.039 m that is 51.4% of the one of the body. Our world‐first study enables to acquire the image of the bearing of the bridge by a camera mounted at the end effector of aerial manipulator fixed on UAV.