[發明專利]一種基于系繩連接的智能空中抓捕器及控制方法

有效

• 申請號: 201910530562.X
• 申請日: 2019-06-19
• 公開（公告）號: CN110282137B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 孟中杰;陳志亮;白宇彤;黃攀峰;張夷齋;馬志強
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B64D1/22
• 分類號: B64D1/22;B25J15/00
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 劉新瓊

本發明涉及一種基于系繩連接的智能空中抓捕器，在傳統被動手爪的基礎上，增加測量手爪位姿信息的IMU模塊和測量目標信息的單目相機，增加調節位姿用的單軸滑軌/滑塊機構和兩個正反槳葉的小型涵道風扇，以及控制自動抓捕的主控模塊；通過IMU模塊和單目相機測量信息，然后根據測量信息進行計算，最后主控模塊根據計算值對單軸滑軌/滑塊機構和涵道風扇進行控制。本發明對慢速運動物體進行自主捕獲，無人機無需精確測量并懸停目標上空，簡化無人機負載設計。

技術領域

本發明涉及目標自主智能抓捕領域，尤其涉及一種基于系繩連接的目標智能自主空中抓捕器及控制方法。

背景技術

在無人機運輸系統中，目前主要有直接在無人機上加裝抓捕器、無人機加裝機械臂、無人機吊掛系統三種方式。前兩種方式無人機在捕獲目標時需要使無人機懸停在離目標極近的區域，極大限制了無人機運輸的應用場景。而無人機吊掛系統利用繩索的優勢，可距離目標較遠進行作業。因此，無人機吊掛系統得到了廣泛的關注。

但無人機吊掛系統中，傳統的末端抓捕器為一個被動手爪，沒有自主能力。在重力的作用下，其在目標捕獲過程中的位置控制完全依賴于無人機的位置控制，且在對慢速運動目標無抓捕能力。而無人機的位置控制存在一定誤差，因此，在目標捕獲過程中，多需要依賴人工輔助完成，增加了任務成本和任務過程中的危險性。

同樣的問題出現在自動行吊系統中，吊車上端裝置需要精確停靠在目標上方，且其目標捕獲過程多依賴人工輔助完成。

針對此問題，本發明在原被動手爪的基礎上，設計一種具有位姿自主調節能力的末端智能抓捕器，降低對上端機構位置?？烤鹊囊蕾?，且可實現對慢速運動目標的捕獲。

首爾大學的Kim S J團隊研究的可折疊伸縮的自鎖型折紙機械臂，安裝在無人機上之后可以在一定程度上實現遠距離作業，但是折紙機械臂的自由度受限，只能沿豎直方向伸縮，因此對于無人機的位置控制精度要求較高，而且相較于繩索，折紙機械臂的作業距離仍然較短。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基于系繩連接的智能空中抓捕器及控制方法。

技術方案

一種基于系繩連接的智能空中抓捕器，其特征在于包括單軸滑軌/滑塊機構、正槳葉涵道風扇、反槳葉涵道風扇、抓捕手爪、單目相機、IMU模塊及主控模塊、抓捕器外部框架和系繩；所述的抓捕器外部框架為上下均有蓋板的圓柱結構，在上蓋板上安裝單軸滑軌/滑塊機構，系繩安裝在單軸滑軌/滑塊機構上并與無人機的連接，在下蓋板的下表面安裝抓捕手爪，在抓捕手爪的中心安裝單目相機，在下蓋板的上表面安裝IMU模塊及主控模塊，在抓捕器外部框架的外側對稱安裝正槳葉涵道風扇、反槳葉涵道風扇。

所述的單軸滑軌/滑塊機構包括步進電機、聯軸器、移動滑塊、絲桿螺母、絲桿、光軸、光軸固定支架和絲桿固定支架；光軸通過光軸固定支架、絲桿通過絲桿固定支架固定安裝在抓捕器外部框架的上蓋板，步進電機通過連軸器與絲桿連接，絲桿通過絲桿螺母與移動滑塊連接，光軸穿過移動滑塊的左右側孔，起到承力的作用。

一種基于系繩連接的智能空中抓捕器的控制方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：利用IMU模塊當前抓捕器姿態角信息θ、γ，角速度信息ω_x、ω_y、ω_z，利用單目相機測量目標相對位置信息Δx、Δy；

步驟2：計算相對絕對距離信息Δl，期望的姿態角θ_e、γ_e：

步驟3：利用雙通道的姿態控制器，計算姿態控制力矩M_y和M_z：