[發(fā)明專利]一種基于視覺(jué)和力反饋的四旋翼飛行器進(jìn)行空中抓取作業(yè)的控制方法有效
| 申請(qǐng)?zhí)枺?/td> | 201510330767.5 | 申請(qǐng)日： | 2015-06-15 |
| 公開（公告）號(hào)： | CN104965516B | 公開（公告）日： | 2017-10-10 |
| 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人： | 宋光明;張勇;張穎;孫慧玉;宋愛(ài)國(guó) | 申請(qǐng)（專利權(quán)）人： | 東南大學(xué) |
| 主分類號(hào)： | G05D1/08 | 分類號(hào)： | G05D1/08 |
| 代理公司： | 江蘇永衡昭輝律師事務(wù)所32250 | 代理人： | 王斌 |
| 地址： | 210096*** | 國(guó)省代碼： | 江蘇;32 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 基于 視覺(jué) 反饋 四旋翼 飛行器 進(jìn)行 空中 抓取 作業(yè) 控制 方法 | ||
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種四旋翼飛行器空中抓取作業(yè)系統(tǒng)，引入力覺(jué)反饋并結(jié)合視覺(jué)反饋來(lái)提高物體抓取的準(zhǔn)確性和穩(wěn)健性。特別適用于要求一次性抓取且抓取過(guò)程不允許劇烈晃動(dòng)的易碎、不穩(wěn)定的物體。
背景技術(shù)
隨著制造成本的降低和控制技術(shù)的成熟，旋翼型飛行器在航拍、偵查領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而在短程貨物配送以及物體抓取作業(yè)方面業(yè)已成為研究的熱點(diǎn)。國(guó)外網(wǎng)絡(luò)零售巨頭亞馬遜和國(guó)內(nèi)快遞公司順豐先后在旋翼型無(wú)人機(jī)短程貨物配送方面投下大量研發(fā)資金并不斷取得新的成果，但是這些配送物品的裝入和卸下大多依靠人工而非機(jī)械手自動(dòng)抓取，配送效率低下。眾多的研究院所也在旋翼型飛行器的物體抓取方面做出探索，主要集中于基于視覺(jué)的單邊遙控抓取和基于視覺(jué)伺服的自主抓取。前者將飛行器和機(jī)械手僅僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)人眼或攝像頭獲取飛行器與被抓取物體的狀態(tài)信息，然后不斷調(diào)整飛行狀態(tài)以完成物體的抓取；這種方式雖然技術(shù)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但作業(yè)效果與操作員經(jīng)驗(yàn)和狀態(tài)密切相關(guān)，因而抓取精度低且效果不穩(wěn)定。后者主要是將視覺(jué)定位和飛行器控制算法結(jié)合在一起，著重于物體識(shí)別、定位和飛行控制算法研究，適用于特定物體和特定環(huán)境下的快速抓取，但是該方法技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大、應(yīng)用靈活性差。
隨著雙邊遙操作概念、力反饋技術(shù)的日臻完善，遙控操作人員將不再是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的命令發(fā)送方，而且可以通過(guò)力反饋設(shè)備與操作環(huán)境相交互，使操作人員具有良好的臨場(chǎng)感和沉浸感，這樣不僅可以降低了操作人員的工作難度而且可以大大提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)飛行器在危險(xiǎn)物品處理、特殊物品搬運(yùn)等領(lǐng)域?qū)ψト【纫蟾摺⒆鳂I(yè)過(guò)程穩(wěn)定性強(qiáng)以及操作簡(jiǎn)單、靈活等應(yīng)用要求，本發(fā)明提供了一種基于視覺(jué)和力反饋的四旋翼飛行器進(jìn)行空中抓取作業(yè)的控制方法，能夠克服背景技術(shù)中所提到的單邊遙控方式抓取精度低、操作難度大和自主抓取難度大、應(yīng)用局限等缺點(diǎn)。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
一種基于視覺(jué)和力反饋的四旋翼飛行器進(jìn)行空中抓取作業(yè)的控制方法，其中，四旋翼飛行器的下端連接有用于抓取的三自由度機(jī)械臂，其特征在于，包括如下步驟：
步驟一、獲取四旋翼飛行器姿態(tài)傳感器的三軸加速度ax、ay、az和三軸角加速度ωx、ωy、ωz，對(duì)獲取的姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合得重力加速度在載體坐標(biāo)系下各軸的分量Ax、Ay、Az；
步驟二、將步驟一融合得到的分量Ax、Ay、Az轉(zhuǎn)換為力反饋手控器執(zhí)行末端在其坐標(biāo)系下應(yīng)受反饋力Fx、Fy、Fz；
步驟三、操作員根據(jù)反饋力的大小和方向并結(jié)合視覺(jué)信息控制四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)以及機(jī)械手的抓取作業(yè)。
步驟一得到分量Ax、Ay、Az的方法為：周期性地采集四旋翼飛行器上的姿態(tài)傳感器的原始姿態(tài)數(shù)據(jù)αx、αy、αz、ωx、ωy、ωz，使用數(shù)字低通濾波器消除高頻干擾，通過(guò)卡爾曼濾波算法對(duì)四旋翼飛行器姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合得重力加速度在載體坐標(biāo)系下各軸的分量Ax、Ay、Az。
所述步驟二中轉(zhuǎn)換的方法為：
根據(jù)分量Ax、Ay、Az，得到俯仰角φ和橫滾角
定義反饋力產(chǎn)生矩陣力源矩陣反饋力矩陣
其中，a,b,c為反饋力系數(shù)；
計(jì)算反饋力F：F＝TY。
所述步驟三中控制四旋翼飛行器的方法為，通過(guò)改變操作末端坐標(biāo)x,y,z的位置控制飛行器的飛行，具體是：
基于四旋翼的飛行控制原理得到四個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力F1、F2、F3、F4：
其中K為力反饋手控器控制靈敏度系數(shù)，G為是飛行器重量，l為四旋翼重心到螺旋槳軸線的距離；
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