[發(fā)明專利]基于低復(fù)雜度規(guī)定性能的作業(yè)型飛行機(jī)器人控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011522509.4
• 申請(qǐng)日: 2020-12-21
• 公開（公告）號(hào): CN112527008B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳彥杰;梁嘉誠;賴寧斌;陳敏俊;何炳蔚;林立雄
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08;G05D1/10;B64U10/14;B25J9/16
• 代理公司: 福州元?jiǎng)?chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 郭東亮;蔡學(xué)俊

本發(fā)明提出基于低復(fù)雜度規(guī)定性能的作業(yè)型飛行機(jī)器人控制方法，包括：步驟S1：考慮由多旋翼飛行器和自由度機(jī)載主動(dòng)機(jī)械臂組成的作業(yè)型飛行機(jī)器人系統(tǒng)，對(duì)其動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行建模分析；步驟S2：定義期望的偏航角，根據(jù)位置環(huán)虛擬控制量解耦期望的翻滾角和俯仰角；步驟S3：控制模塊考慮主動(dòng)機(jī)械臂與旋翼飛行器相互作用、風(fēng)力因素和地面效應(yīng)現(xiàn)象影響，以低復(fù)雜度規(guī)定性能的控制方法對(duì)作業(yè)型飛行機(jī)器人的位置/姿態(tài)和關(guān)節(jié)角度進(jìn)行跟蹤；步驟S4：以Lyapunov方法進(jìn)行低復(fù)雜度規(guī)定性能控制方法的穩(wěn)定性分析；本發(fā)明能有效實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤預(yù)期的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，并減小控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其是基于低復(fù)雜度規(guī)定性能的作業(yè)型飛行機(jī)器人控制方法。

背景技術(shù)

隨著機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化的不斷進(jìn)步，旋翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)研究得到了快速發(fā)展。旋翼飛行器能夠在三維空間中自由運(yùn)動(dòng)，可以無視地面地形，具有運(yùn)動(dòng)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈活性高等特點(diǎn)，近年來得到了較多的關(guān)注，已經(jīng)在多種復(fù)雜場合和應(yīng)用中體現(xiàn)出了重要作用，可以完成諸如航拍航測、電力巡檢、火災(zāi)探測、地震現(xiàn)場勘測等被動(dòng)式監(jiān)測任務(wù)。然而，由于傳統(tǒng)的旋翼飛行器只能完成被動(dòng)式的觀測任務(wù)，面對(duì)抓取等主動(dòng)式的任務(wù)卻無能為力，因此具有一定自主作業(yè)能力的主動(dòng)操控型旋翼飛行器得到了越來越多的科研人員的關(guān)注。

這類機(jī)器人系統(tǒng)，也叫作作業(yè)型飛行機(jī)器人系統(tǒng)，把具有主動(dòng)操作能力的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂搭載在旋翼飛行器上，使其能完成特定的作業(yè)任務(wù)，比如室內(nèi)抓取任務(wù)，室內(nèi)花冠采樣，搬運(yùn)貨物等。這些特點(diǎn)將使作業(yè)型飛行機(jī)器人具有極其廣闊的應(yīng)用前景。然而，由于作業(yè)型飛行機(jī)器人系統(tǒng)的非線性，欠驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)耦合等問題，上述對(duì)于作業(yè)型飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究更多的還只停留在室內(nèi)研究階段，并沒有考慮到戶外外界環(huán)境的干擾，如風(fēng)力因素和地面效應(yīng)現(xiàn)象等干擾。目前，相對(duì)于室內(nèi)作業(yè)型飛行機(jī)器人系統(tǒng)控制，戶外的研究相對(duì)較少。

在戶外研究方法中，并不能有效的實(shí)現(xiàn)預(yù)期的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，存在控制系統(tǒng)復(fù)雜性問題。針對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的問題，使用預(yù)期性能控制方法，通過引用平滑有界、單調(diào)遞減、嚴(yán)格正的性能函數(shù)，將瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)誤差限制在預(yù)期的較小的邊界內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。此外，針對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性問題，提出了低復(fù)雜度的控制策略。此控制策略并不需要包含任何關(guān)于系統(tǒng)非線性的先驗(yàn)知識(shí)，沒有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)等近似結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)的反演等控制設(shè)計(jì)方法，此方法避免了命令導(dǎo)數(shù)的迭代計(jì)算，并且沒有使用額外的濾波器，極大有效地降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性問題。此方法控制率由簡單的表達(dá)式定義，通過此方法，即便對(duì)于更高階的復(fù)雜度相對(duì)更多的非線性系統(tǒng)也能運(yùn)用自如。

通過以上對(duì)作業(yè)型飛行機(jī)器人系統(tǒng)的研究，本發(fā)明旨在設(shè)計(jì)一種在擾動(dòng)和不確定性下低復(fù)雜度規(guī)定性能控制方法，有效實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤預(yù)期的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，并減小控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出基于低復(fù)雜度規(guī)定性能的作業(yè)型飛行機(jī)器人控制方法，能有效實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤預(yù)期的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，并減小控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

基于低復(fù)雜度規(guī)定性能的作業(yè)型飛行機(jī)器人，所述機(jī)器人包括設(shè)有控制模塊的飛行器和固定于飛行器下部中央處的主動(dòng)機(jī)械臂；所述飛行器包括均勻設(shè)置于飛行器周沿處的多個(gè)旋翼；所述飛行器設(shè)有對(duì)旋翼升力進(jìn)行測量的升力測量傳感器，還設(shè)有對(duì)機(jī)器人飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量的飛行姿態(tài)傳感器；所述機(jī)械臂始端固定于飛行器處，末端為可對(duì)外部物體施力的作業(yè)部件，作業(yè)部件與機(jī)械臂始端之間設(shè)有具有n_r自由度的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；機(jī)械臂設(shè)有可測量旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的關(guān)節(jié)傳感器，還設(shè)有對(duì)機(jī)械臂始端與飛行器之間作用力進(jìn)行測量的臂力傳感器；所述控制模塊與飛行姿態(tài)傳感器、關(guān)節(jié)傳感器、臂力傳感器相連，并根據(jù)其測量數(shù)據(jù)以位置控制器計(jì)算位置環(huán)虛擬控制量，對(duì)機(jī)器人在機(jī)械臂執(zhí)行作業(yè)時(shí)的飛行狀態(tài)進(jìn)行控制。

以上所述的飛行機(jī)器人，其飛行狀態(tài)控制包括以下方法；