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.     

旋翼飞行机器人完成全功能自主飞行试验

由中科院沈阳自动化所机器人学国家重点实验室旋翼无人机组自主研发的15kg负载级旋翼飞行机器人已在无锡完成了全功能自主飞行实验,在完成了全自主起飞、悬停、爬升、加减速、航迹跟踪、下降等飞行科目后,机器人稳稳地降落在了预定位置。此次试飞标志着旋翼飞行机器人完成使命任务过程中已经实现不需要任何人为参与,为多项国家级项目的完成奠定了重要的基础。     

沈阳自动化所旋翼飞行机器人完成全功能自主飞行试验

由中科院沈阳自动化所机器人学国家重点实验室旋翼无人机组自主研发的15公斤负载级旋翼飞行机器人,日前在无锡某空域完成了全自主起飞、悬停、爬升、加减速、航迹跟踪、下降等飞行科目后,稳稳地降落在了预定位置,成功完成了全功能自主飞行。此次试飞标志着旋翼飞行机器人完成使命任务过程中已经实现不需要任何人为参与,为多项国家级项目的完成奠定了重要的基础。旋翼飞行机器人以其在多领域的潜在用途而受到国内外的普遍重视。但受其涉及多学科、系统复杂、技术封闭等影响,目前仅有美国、奥地利、瑞士等少数国家具备旋翼飞行机器人全功能自主飞行技术。此次试飞成功标志着沈阳自动化所在旋翼飞行机器人研究方面取得了重大突破。     

旋翼飞行机器人故障诊断与容错控制技术综述

对故障诊断和容错技术的发展过程进行了简要概述，以旋翼飞行机器人为研究对象，在分析了旋翼飞行机器人故障诊断与容错控制特点的基础上，介绍了当前国内外在该领域的研究进展和主要方法．最后，总结了该领域待解决的难点问题，并指出了该研究领域的发展趋势．     

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.     

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.     

旋翼飞行机器人系统建模与主动模型控制理论及实验研究

为解决旋翼飞行机器人全包线飞行中的参考模型辨识问题和由飞行模态转换、 内外部扰动, 以及动力学时变所产生的模型失配问题, 并消除模型失配对基于参考模型所设计的飞行控制器造成的跟踪性能的影响, 本文提出了基于悬停参考模型的系统辨识和主动模型的在线控制策略. 通过改进的频域辨识方法和半解耦的简化模型结构, 在悬停模态下进行模型拟合和全包线飞行的模型差分析, 然后结合自适应集员估计(Adaptive set-membership filter, ASMF)方法提出模型差的在线估计和控制补偿策略来应对统计学未知且有界(Unknown but bounded, UBB)的模型差, 以此消除上述模型失配对名义控制器理想条件的破坏所造成的控制性能降低. 最后, 通过在ServoHeli-40旋翼飞行机器人平台的实际飞行对比实验, 验证了所提出方法的有效性和现实可行性.     

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.     

多飞行机器人吊运系统研究进展及挑战

多飞行机器人吊运系统是指由多个旋翼飞行机器人、吊绳及单个悬挂负载共同构成的具有空中操作能力的一类新型机电系统,具有灵活性强、地域可达性好、运输便捷、载荷能力强等显著优点.多飞行机器人吊运系统应用广泛,但是其建模与控制还存在诸多挑战.旋翼飞行机器人自身是一种复杂的欠驱动非线性系统,随着吊绳和负载的引入,系统的耦合性、欠驱动特性和非线性也会随之增加.为了全面对多飞行机器人吊运系统的研究进行综述,首先介绍了多飞行机器人吊运系统的常见构型,并对比分析了其优缺点;其次,从动力学建模、协调控制、实验三个方面介绍了多飞行机器人吊运系统的研究现状与挑战;最后,凝练了现存的关键科学问题,对其潜在的应用领域和未来的研究工作进行了探讨与展望.     

自主飞行机器人导航系统设计

自主飞行机器人系统是以微型直升机模型为载体的复杂系统。在该系统中导航系统采集各传感器数据得到机器人当前飞行姿态、空间位置以及相应的监控信息,控制模块依此监控信息按照给定策略计算并发出控制信号,实现飞行机器人的自主控制。本文对自主飞行机器人导航系统设计及功能实现做出了详细阐述。首先,给出了本自主飞行机器人的系统构造;其次,给出了导航系统的硬件组成部分以及各部分所完成的功能任务;最后阐述了导航系统的功能实现,包括飞行姿态和空间位置的获取。     

基于ARM的空中机器人飞行控制系统的设计

提出了一种基于ARM9内核的嵌入式处理器S3C2440的空中机器人飞行控制系统的设计方案,详细介绍了系统的硬件结构组成及基于嵌入式Linux操作系统的飞行控制软件设计,并描述了软件的功能划分和控制策略的实现。该飞行控制系统使空中机器人具备遥控遥测、指令处理、姿态控制飞行和自主导航等功能,成本低、性能高。     

A Study on Development of a Hybrid Aerial/Terrestrial Robot System for Avoiding Ground Obstacles by Flight

To date, many studies related to robots have been performed around the world. Many of these studies have assumed operation at locations where entry is difficult, such as disaster sites, and have focused on various terrestrial robots, such as snake-like, humanoid, spider-type, and wheeled units. Another area of active research in recent years has been aerial robots with small helicopters for operation indoors and outdoors. However, less research has been performed on robots that operate both on the ground and in the air. Accordingly, in this paper, we propose a hybrid aerial/terrestrial robot system. The proposed robot system was developed by equipping a quadcopter with a mechanism for ground movement. It does not use power dedicated to ground movement, and instead uses the flight mechanism of the quadcopter to achieve ground movement as well. Furthermore, we addressed the issue of obstacle avoidance as part of studies on autonomous control. Thus, we found that autonomous control of ground movement and flight was possible for the hybrid aerial/terrestrial robot system, as was autonomous obstacle avoidance by flight when an obstacle appeared during ground movement.      

基于传感器和模糊规则的机器人在动态障碍环境中的智能运动控制

提出了一种基于传感器和模糊规则的智能机器人运动规划方法,该方法运用了基于调和函数分析的人工势能场原理。采用模糊规则可减少推导势能函数所必须的计算,同时给机器人伺服系统发出指令,使它能够自动地寻找通向目标的路径。提出的方法具有简单、快速的特点,而且能对n自由度机械手的整个手臂实现避碰,建立在非线性机器人动力学之上的整个闭环系统和模糊控制器的稳定性由李雅普诺夫原理保证。仿真结果证明了该方法的有效性,通过比较分析显示出文中所提出的避障算法的优越性。     

自由飞行空间机器人系统的协调运动控制

考虑由载体和机械臂组成的空间机器人系统的协调控制问题,提出了一种新的协调控制策略.该策略首先利用简单的变结构控制器粗略控制载体的运动,进而设计机械臂控制器以保证手端精确跟踪其期望的运动轨迹.应用该策略分别对手端自由运动和受限运动设计了相应的控制器,并对两杆平面空间机器人系统进行了仿真,证实了控制策略的有效性.     

机器人运动规划方法的研究

针对路径规划以及碰撞检测这一研究的重点问题,提出了G-空间法、人工势力场法、遗传算法等。序列规划问题一般转化为旅行商问题来求解。在综合现有序列规划和路径规划方法的基础上,提出两种机器人运动规划算法：基于任意路径的运动规划算法和基于直线路径的运动规划算法,思路简单,能对各种机器人工程任务进行运动规划。     

A Frequency-Dependent Direct Adaptive Scheme for Robot Manipulators: A Case of Model-Following Motion Control

This paper presents a new frequency-dependent direct adaptive scheme for the optimal and/or suboptimal tracking of the motion of a prescribed model. The idea is based on a closed-loop control scheme in which an _{2 H} optimal/suboptimal controller is applied in parallel with a direct adaptive technique to guide a robot manipulator to follow a certain prescribed trajectory. The H ₂ compensators have to be proper and positively bounded with respect to all dynamic frequencies. Robustness issues are addresses in the paper by lumping all the nonlinear dynamic terms such as the centrifugal and Coriolis effects as well as the mechanical and electrical friction forces of the robot arm, into a general unstructured uncertainty term.     

Motion planning and contact control for a tele-assisted hydraulic underwater robot

Implementing tele-assistance or supervisory control for autonomous subsea robots requires atomic actions that can be called from high level task planners or mission managers. This paper reports on the design and implementation of a particular atomic action for the case of a subsea robot carrying out tasks in contact with the surrounding environment.Subsea vehicles equipped with manipulators can have upward of 11 degrees of freedom (DOF), with degenerate and redundant inverse kinematics. Distributed local motion planning is presented as a means to specify the motion of each robot DOF given a goal point or trajectory. Results are presented to show the effectiveness of the distributed versus non-distributed approach, a means to deal with local minima difficulties, and the performance for trajectory following with and without saturated joint angles on a robot arm.Consideration is also given to the modelling of hydraulic underwater robots and to the resulting design of hybrid position/force control strategies. A model for a hydraulically actuated robot is developed, taking into account the electrohydraulic servovalve, the bulk modulus of oil, piston area, friction, hose compliance and other arm parameters. Open and closed-loop control results are reported for simulated and real systems.Finally, the use of distributed motion planning and sequential position/force control of a Slingsby TA-9 hydraulic underwater manipulator is described, to implement an atomic action for tele-assistance. The specific task of automatically positioning and inserting a Tronic subsea mateable connector is illustrated, with results showing the contact conditions during insertion.     

仿真转台内部独立式运动控制卡的研究与实现

介绍了一种独立式多轴运动控制器,并对其工作原理和工作方式进行了分析.此运动控制卡具有集成度高、功耗低、接口简单等优点,可以更好地满足各种转台的灵活性、实时性要求.该卡采用独立式结构,直接安装在台体内部,适于野外使用.     

基于动态行为控制的移动机器人自主避障

针对环境信息未知或部分未知的情况,提出动态行为控制方法使移动机器人自主避障。采用动态窗法表示结构空间,并分析环境信息,激发相应的行为进行避障,经过行为融合后得到可行的路径和速度值。其中趋向目标的行为采用模糊逻辑控制的方法,避障行为采用VFH方法加以实现。在计算过程中考虑了动力学与运动学约束条件,使得动态行为控制方法更加可行。仿真结果论证了所提出的方法的实时性与有效性。