[發明專利]基于低復雜度規定性能的作業型飛行機器人控制方法有效
| 申請號： | 202011522509.4 | 申請日： | 2020-12-21 |
| 公開（公告）號： | CN112527008B | 公開（公告）日： | 2023-05-02 |
| 發明（設計）人： | 陳彥杰;梁嘉誠;賴寧斌;陳敏俊;何炳蔚;林立雄 | 申請（專利權）人： | 福州大學 |
| 主分類號： | G05D1/08 | 分類號： | G05D1/08;G05D1/10;B64U10/14;B25J9/16 |
| 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 |
| 地址： | 350108 福建省福州市*** | 國省代碼： | 福建;35 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 基于 復雜度 規定 性能 作業 飛行 機器人 控制 方法 | ||
1.基于低復雜度規定性能的作業型飛行機器人，其特征在于：所述機器人包括設有控制模塊的飛行器和固定于飛行器下部中央處的主動機械臂；所述飛行器包括均勻設置于飛行器周沿處的多個旋翼；所述飛行器設有對旋翼升力進行測量的升力測量傳感器，還設有對機器人飛行姿態數據進行測量的飛行姿態傳感器；所述機械臂始端固定于飛行器處，末端為可對外部物體施力的作業部件，作業部件與機械臂始端之間設有具有nr自由度的旋轉關節；機械臂設有可測量旋轉關節旋轉數據的關節傳感器，還設有對機械臂始端與飛行器之間作用力進行測量的臂力傳感器；所述控制模塊與飛行姿態傳感器、關節傳感器、臂力傳感器相連，并根據其測量數據以位置控制器計算位置環虛擬控制量，對機器人在機械臂執行作業時的飛行狀態進行控制；
以上所述的飛行機器人，其飛行狀態控制包括以下方法；
步驟S1：考慮由多旋翼飛行器和nr自由度機載主動機械臂組成的作業型飛行機器人系統，對其動力學模型進行建模分析；
步驟S2：定義期望的偏航角ψd，根據位置環虛擬控制量解耦期望的翻滾角φd和俯仰角θd；
步驟S3：控制模塊考慮主動機械臂與旋翼飛行器相互作用、風力因素和地面效應現象影響，以低復雜度規定性能的控制方法對作業型飛行機器人的位置/姿態和關節角度進行跟蹤；
步驟S4：以Lyapunov方法進行低復雜度規定性能控制方法的穩定性分析；
所述步驟S1中考慮由多旋翼飛行器和nr自由度機載主動機械臂組成的作業型飛行機器人系統，對其動力學模型進行建模分析，具體步驟如下：
步驟S11：對作業型飛行機器人中多旋翼飛行器系統動力學建模分析；記∑I為慣性坐標系，∑B為機體坐標系，∑E為機械臂末端坐標系；pb＝[px,py,pz]T和vb＝[vx,vy,vz]T分別為旋翼飛行器在∑I中的位置和速度；Φb＝[φ,θ,ψ]T為旋翼飛行器姿態的Z-Y-X歐拉角；Rb表示∑B相對于∑I的旋轉矩陣，具體表示形式為：
其中，c(·)和s(·)分別為三角函數cos(·)和sin(·)；
考慮主動機械臂產生的力和力矩以及外部干擾的影響，可以通過牛頓-歐拉方法對多旋翼飛行器動力學進行建模，如下所示：
其中，公式二的前兩項表示平移動力學，后兩項表示姿態動力學；mu為作業型飛行機器人的總質量；和M＝[M1,M2,M3]T分別為多旋翼飛行器的總推力和力矩，其中fi,i＝1,…,4記作每個轉子的推力；Fd＝[Fx,Fy,Fz]T和Md＝[Mφ,Mθ,Mψ]T為耦合影響和外部擾動項，其中Fd為相對ΣI從主動機械臂產生的相互作用力和外部干擾，Md為相對ΣB由主動機械臂產生的相互作用力矩和外部干擾力矩；J＝diag(Ix,Iy,Iz)為常矩陣的慣性張量；向量e3＝[0,0,1]T；ωb為多旋翼飛行器相對ΣB的角速度，T(Φb)為歐拉角微分和角速度ωb之間的轉換矩陣，定義為：
利用公式二，姿態動力學可以寫成如下：
其中，和分別為在∑B中機械臂末端相對于旋翼飛行器的位置和姿態；
步驟S12：對作業型飛行機器人系統動力學建模分析，考慮帶有nr旋轉關節的機載主動機械臂，其動力學方程利用牛頓-歐拉方法描述如下：
其中，Mm(q)為正定慣性矩陣；為離心和科式矩陣；Gm(q)為重力項；τ＝[τ1,τ2,τ3]T為機械臂關節控制輸入；τd為旋翼飛行器對機械臂的相互作用力和外部擾動；
步驟S13：根據步驟S11和S12，定義x1＝[pb,Φb,q]T，作業型飛行機器人整體模型可以寫成：
其中，H(x1)為正定慣性矩陣；C(x1,x2)為離心和科式矩陣；G(x1)為重力項；u為作業型飛行機器人的控制輸入；dt＝[Fd,Md,τd]T為作業飛行機器人系統擾動；
多旋翼飛行器飛行時的總推力及其力矩由作業型飛行機器人的轉子產生；因此，在推力/力矩和轉子的轉速之間存在如下關系：
其中，cf和cM分別為推力和力矩系數；d為對稱轉子中心的距離；ωi,i＝1,…,4記作每個轉子的轉速；
所述步驟S2中，控制模塊定義期望的偏航角ψd，根據位置控制器輸出的位置環虛擬控制變量解耦期望的翻滾角φd和俯仰角θd，具體步驟如下：
定義位置環虛擬變量如下：
位置環虛擬控制量由位置控制器輸出得到，由此可以計算出如下作業型飛行機器人的總推力f、期望翻滾角φd和期望俯仰角θd：
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