[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

本發明公開了一種攜帶冗余度機械臂的飛行機器人控制系統設計方法，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，主要包括下述步驟：根據飛行實時運行數據，對攜帶冗余度機械臂的飛行機器人進行動力學建模，然后根據建模方程，設計位置、高度和姿態控制器，并且采用基于李雅普諾夫穩定性原理的后推方法，進行軌跡跟蹤處理，然后再進行自適應處理，即可完成飛行器自適應穩定飛行控制器的設計；對于冗余度機械臂運動規劃控制器，采用機械臂運動規劃方案設計和二次規劃設計。本發明方法的自適應后推設計方法，可快速、準確、實時跟蹤飛行器的目標軌跡，并提高了系統的魯棒性和穩定性。

技術領域

本發明屬于飛行機器人控制系統設計領域，特別涉及一種基于自適應后推設計的攜帶冗余度機械臂的飛行機器人控制系統設計方法。

背景技術

近年來世界各國都在大力發展多旋翼飛行器，無論是在軍事方面還是在民用方面都得到了廣泛的應用。相比于傳統的飛行器而言，多旋翼飛行器具有體積較小、成本較低、機動性強、可定點懸停、可垂直起降，各種姿態的飛行等優勢，可高效益地在軍事上用于偵察和監視等和在民用方面用于電力巡線等。隨著無人機技術的迅猛發展，雷達、激光、聲納等儀器設備都可裝備到無人機上，用于完成特定的任務，而隨著機器人科學和機械臂技術的進步，具備冗余度機械臂的機器人具有可協調執行機械臂復雜任務、躲避關節極限、躲避奇異點，并且具有一定的容錯特性，被廣泛應在在各行各業，如家用服務型機器人，可以幫助人們完成一些瑣碎的工作；或者工業用機械手等，有效地提高了生產精度和生產速率。由于實際應用環境復雜性和任務條件的多樣化的影響，基于PID閉環控制算法以及相應的改進控制算法進行設計的傳統的無人機控制器逐漸難以滿足人們的期望。因此，我們需要設計性能更加良好的控制器，而基于自適應后推方法的設計方法是非線性系統控制器設計最常用的方法之一，是將系統李雅普諾夫函數的選取與控制器的設計相結合的一種回歸設計方法，可以有效地減少系統的穩態誤差和加快調節速度，從而使得被控量快速跟蹤目標值，實現軌跡跟蹤控制，同時，自適應控制的引用能有效地消除模型的參數不確定性所帶來的影響，極大提高系統的魯棒性。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的缺點與不足，提供一種攜帶冗余度機械臂的飛行機器人控制系統設計方法，包括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，采用基于李雅普諾夫穩定性原理的后推方法，計算飛行器電機控制量，能夠快速、準確、實時跟蹤飛行器的目標軌跡，并提高了系統的魯棒性和穩定性。

為實現以上目的，本發明采取如下技術方案：

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，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。