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.     

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.     

旋翼飞行机器人研究进展

旋翼飞行机器人是面向空中自主作业需求,将旋翼飞行器与多自由度机械臂相结合所提出的新型机器人.该机器人作业过程中旋翼飞行器、机械臂与作业目标之间的动态相对运动以及与作业目标接触过程中未建模外力、力矩扰动使自主控制受到极大挑战.本文将针对旋翼飞行机器人的结构演变及关键技术、作业机构集成技术进行综述.从动力学建模及动力学特性分析、动态运动约束/力约束下的协调规划、非结构环境下的运动和作业控制、面向任务动态操作的环境感知、面向任务的实验系统构建与实验验证五个方面初步构建了旋翼飞行机器人自主作业理论体系.     

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.     

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.     

作业型水下机器人姿态调节控制研究

为了解决在作业时水下机器人载体上的机械手伸展过程将会引起载体重心发生变化,导致水下机器人发生纵横倾运动,影响作业效率的问题,考虑到水下机器人控制系统较为复杂,因此引入模糊滑模控制,根据要求设计出一款模糊滑模控制器。利用计算机和MATLAB技术,将水下机器人姿态运动方程与常规PID控制和模糊滑模控制分别结合起来进行仿真分析。仿真结果表明,模糊滑模控制相比于常规PID控制,在机械手关节正弦运动过程中,姿态角下降了20%以上,横倾姿态角度误差减小了30%以上,纵倾姿态角误差也超过了8%以上。在悬停作业过程中,纵横倾姿态角度都下降了30%以上。通过两种不同控制方式的仿真,验证了模糊滑模控制的控制效果要优于常规PID控制,能够取得更好的控制效果,同时利用计算机技术缩短了研究时间、提高了研究效率。     

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.     

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...     

一类轮式机器人的重心控制

介绍了一类建筑领域等非结构环境下使用的由6个转动关节和4个直动关节组成的轮式机器人,其特殊的结构加上重心控制,能使机器人在不平整地面上行走而不倾倒。绘制了机器人重心控制原理,推导出使机器人不倾倒的重心控制运动方程。给出了实验用的部分软硬件原理框图,并通过实验验证了方案的可行性。     

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。     

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     

基于Leap Motion和S曲线的飞行机器人机械臂控制研究

针对带有多自由度机械臂的飞行机器人,提出基于Leap Motion的控制方法以实现机械臂跟随人体手掌位置姿态运动的功能。采用DH方法建立了机械臂数学模型,给出了将Leap Motion获取的人手运动映射到机械臂末端的推导过程。利用7段S型曲线调速方法近似实现舵机角加速度连续没有突变,减轻了舵机快速响应给飞行器带来的冲击问题。设计制作了实物样机对控制方法的可实现性进行验证测试,在飞行测试中,成功地利用Leap Motion控制远端的机械臂抓取到地面目标。     

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.     

中国成功研发出世界首台飞行吸附式两栖机器人

正南京理工大学计算机学院刘永团队发明的谍影旋机,由四旋翼飞行器和吸附装置组成,既可空中飞行又能吸附在墙壁、天花板、电线杆等空间表面上进行长时间观察的侦察高手,专业名称叫做飞行吸附机器人,这也是世界上首次研发成功的仿生飞行吸附两栖机器人。     

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.     

双桨倾转旋翼飞行器的最优飞行控制

对最新发展的双发倾转旋翼飞行器进行了研究,建立了旋翼飞行器推力矢量控制系统的数学模型,得到了两个最优飞行控制定理.由这两个定理建立了最优起飞巡航飞行轨迹.分析结果表明,该飞行器具有节约动力能源,机动性好和多用途等优点.计算机仿真证实了飞行控制系统的最优性和有效性.     

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.     

一种具有通用性的无人飞艇飞行控制系统

本文从实用的角度出发,介绍了一种具有通用性的无人飞艇飞行控制系统。该控制系统的导航部分基于捷联航姿系统（SIAHRS）和GPS,制导与控制部分采用具有很强适用性和鲁棒性的PID算法,对控制输出进行了平滑滤波,另外通过对艇囊压力的控制确保了在不同飞行高度下艇囊的安全及低阻外形。在9-30m长的各种飞艇试飞实验及成功应用表明：该飞控系统具有很强的通用性,工作稳定可靠,飞行控制效果优良。     

基于FuzzyP的多臂机器人机械臂控制系统设计

机械臂是多臂机器人的重要组成部分,针对基于姿态识别控制及位置识别控制系统受到被控量振荡影响,而导致机械臂运动轨迹控制不精准的问题,提出了基于FuzzyP的多臂机器人机械臂控制系统设计;基于FuzzyP控制系统,找到系统控制平衡点,设计系统硬件结构包含3个机械臂,共十八个自由度,简化关节控制器连线,选择直流有刷电机,采用增量型编码器,设计H桥电路,配合74ACT244增强驱动电路,利用NRF24L01无线模块获取与处理位置信息;使用FuzzyP控制器,抑制被控量振荡,控制连杆运动,完成多臂机器人机械臂控制方案设计;由实验结果可知,该系统轨迹与预期轨迹基本一致,较好解决多臂机器人机械臂对接精确定位要求。