[發明專利]基于球面模型的飛行機械臂視覺伺服與多任務控制方法

在審

• 申請號: 202010848414.5
• 申請日: 2020-08-21
• 公開（公告）號: CN111923049A
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發明（設計）人: 何炳蔚;賴寧斌;陳彥杰;梁嘉誠;林立雄
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 郭東亮;蔡學俊

本發明提出基于球面模型的飛行機械臂視覺伺服與多任務控制方法，采用的伺服結構包括無人機、機械臂和控制模塊；機械臂安裝于無人機的機械臂安裝面處；機械臂安裝面處還設有深度相機，其拍攝角度與機械臂安裝面成角度設置，控制模塊使深度相機、機械臂組合為機器人手眼標定系統；所述機械臂末端設有執行器；所述控制模塊為可對無人機的飛行進行控制的控制模塊；當所述飛行機械臂需對目標進行操作時，控制模塊經深度相機對目標距離進行評估，若目標位于機械臂操作范圍外，則控制模塊驅動無人機向目標飛行，若目標位于機械臂操作范圍內，則控制模塊驅動機械臂對目標進行操作；本發明能在無人機上掛載具備主動操縱能力的機械臂。

技術領域

本發明涉及無人機技術領域，尤其是基于球面模型的飛行機械臂視覺伺服與多任務控制方法。

背景技術

無人機系統具有運動機動性強、靈活性高等特點，可以在三維世界中自由飛行，因此近年來得到許多不同領域的行業的廣泛運用，例如工業工廠檢查、戰場偵察、自然災害偵察、地圖創建和測量等方面有著廣泛的應用。

飛行機械臂系統是在無人機上安裝具有一定自由度的機械臂，與常規的無人機相比，作業型無人機系統具有諸多優勢，它能在飛行過程中實現對空中或地面目標的快速捕捉，能迅速到達地面機器人無法進入的復雜環境中執行安裝或回收測量設備等精細作業任務；但傳統無人機系統極大地限制了它們主動操縱的能力，因此，研發無人機與環境之間的物理交互的飛行機械臂具有重大意義。本發明正是根據這種需求提出了基于球面模型的飛行機械臂視覺伺服與多任務協調控制方法。

發明內容

本發明提出基于球面模型的飛行機械臂視覺伺服與多任務控制方法，能在無人機上掛載具備主動操縱能力的機械臂。

本發明采用以下技術方案。

基于球面模型的飛行機械臂視覺伺服結構，所述伺服結構包括六自由度的無人機、三自由度的機械臂和控制模塊；所述機械臂安裝于無人機的基座的機械臂安裝面處；所述機械臂安裝面處還設有深度相機；所述深度相機的拍攝角度與機械臂安裝面成角度設置，所述控制模塊與深度相機、機械臂相連，并使深度相機、機械臂組合為機器人手眼標定系統。

所述機械臂包括三個轉動關節；所述機械臂安裝面位于基座的平臺正下方；所述深度相機為Intel RealSense相機。

所述機械臂末端設有執行器；所述控制模塊為可對無人機的飛行進行控制的控制模塊；當所述飛行機械臂需對目標進行操作時，控制模塊經深度相機對目標距離進行評估，若目標位于機械臂操作范圍外，則控制模塊驅動無人機向目標飛行，若目標位于機械臂操作范圍內，則控制模塊驅動機械臂對目標進行操作。

基于球面模型的飛行機械臂視覺伺服與多任務控制方法，所述控制方法使用上文中的基于球面模型的飛行機械臂視覺伺服結構，包括以下步驟；

步驟S1：控制模塊通過深度相機獲取目標物信息，并基于球面模型建立用于伺服飛行控制的球面坐標系，在無人機飛行過程中，基于球面坐標系實時計算目標物相對于無人機的期望位置實時位置之差，以基于球面坐標系的視覺伺服控制方法來控制無人機向目標物飛行，并得到無人機的伺服速度；

步驟S2：當無人機距目標物較近，使目標物到達相對于無人機的期望位置后，控制模塊通過深度相機獲取目標物信息和機械臂末端的執行器的信息，并基于球面坐標系對機械臂進行伺服控制，同時得到機械臂在球面坐標系內的角速度；

步驟S3：通過飛行機械臂視覺誤差方程控制機械臂動作，以消除深度相機的視覺誤差，使控制模塊能夠對機械臂進行伺服控制來移動執行器，把機械臂末端的執行器移動定位至目標物處；

步驟S4：采用針對多任務的協調控制方法控制飛行機械臂，對目標物定位并抓取，所述多任務包括機械臂末端位置控制、估計目標物體姿態、動態補償系統重心的變化、避免機械臂關節極限，在對目標物定位并抓取的過程中，所述協調控制方法使飛行機械臂所執行的任務類別與飛行機械臂當前工況匹配。