[發明專利]一種攜帶冗余度機械臂的飛行機器人控制系統設計方法

有效

• 申請號: 201810477920.0
• 申請日: 2018-05-18
• 公開（公告）號: CN108638068B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 張智軍;吳春臺;翁卓榮;林亮洪;謝楷俊;鄭陸楠
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B64C27/02;B64C27/54
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 李斌

1.一種攜帶冗余度機械臂的飛行機器人控制系統設計方法，是針對六旋翼飛行器自適應穩定飛行控制器和冗余度機械臂控制器兩方面的設計,其特征在于，該方法包括如下步驟：

S1、根據飛行機器人上所搭載的姿態傳感器以及相應的高度與位置傳感器所獲取到的飛行機器人自身的飛行實時運行數據，對攜帶冗余度機械臂的飛行機器人進行動力學建模；

S2、根據步驟S1建立的飛行機器人動力學方程，設計水平位置控制器、高度控制器、以及姿態控制器，從系統最低階次微分方程開始引入虛擬控制量，采用基于李雅普諾夫穩定性原理的后推方法，設計滿足系統穩定要求和誤差收斂要求的虛擬控制，從而確定各個控制器的虛擬控制量；

S3、根據步驟S2獲得的各個控制器的控制量，并通過選取相應的李雅普諾夫函數，求解擾動自適應率，然后對飛行機器人質量進行在線估計，采用基于李雅普諾夫穩定性原理的后推方法，確定質量自適應率，即完成飛行機器人自適應穩定飛行控制器的設計；

S4、根據冗余度機械臂控制器的設計需求，設計冗余度機械臂運動規劃控制器，具體包括機械臂運動規劃方案設計和二次規劃設計，通過冗余度機械臂逆運動學實現冗余度機械臂的運動規劃方案設計，再根據不同的設計目的和指標要求，將冗余度機械臂逆運動學問題轉換為受約束的時變凸二次規劃問題，并將求解結果作為機械臂的關節角狀態，控制飛行機器人完成相應的控制任務。

2.根據權利要求1所述的攜帶冗余度機械臂的飛行機器人控制系統設計方法，其特征在于，步驟S1中，對攜帶冗余度機械臂的飛行機器人進行動力學建模，所述飛行機器人采用六旋翼飛行器，其動力學方程如下：

且

其中為對應x_i的導數，x₁、x₃、x₅分別表示飛行機器人在世界坐標系中的位置分量即坐標x、y、z；x₂、x₄、x₆分別為飛行機器人在世界坐標系中的速度分量即坐標v_x、v_y、v_z；x₇、x₉、x₁₁分別表示橫滾角φ、俯仰角θ、以及偏航角ψ；x₈、x₁₀、x₁₂分別為橫滾角角速度俯仰角角速度以及偏航角角速度m為飛行機器人的質量；g表示重力加速度；D_x、D_y、D_z分別表示X、Y、Z軸系的擾動；U₁表示高度控制器的控制量，U₂、U₃、U₄分別表示姿態控制器的橫滾角φ、俯仰角θ、以及偏航角ψ的控制量；其中I_x、I_y、I_z分別為飛行機器人在X軸、Y軸、Z軸的轉動慣量，標量b表示六旋翼飛行器機臂臂長；u_x，u_y分別表示位置控制器的X軸和Y軸的二階虛擬控制量。