[發明專利]一種海上作業直升機快速回收的力覺引導遙操縱控制方法

有效

• 申請號: 202011531526.4
• 申請日: 2020-12-22
• 公開（公告）號: CN112596547B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 倪濤;趙丁選;張泮虹;張祝新
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 陳麗;李洪福

1.一種海上作業直升機快速回收的力覺引導遙操縱控制方法，其特征在于，所述方法包括：

根據實時反饋的直升機位置和船上降落區域信息規劃出直升機的最優牽引路徑，進而經過運動學解算得出系留裝置的最優路徑；

根據所述系留裝置的最優路徑，通過人工勢場求解虛擬引導力；

將所述虛擬引導力同操作人員的操縱力共享融合，共同作為系留裝置手控器的輸入信號，通過力-位置混合控制實現系留裝置手控器對操作人員行為的力覺引導；

其中，根據船上降落區域信息規劃出直升機的最優牽引路徑，包括：

利用船上降落區域信息獲得直升機牽引的起點、終點以及中間關鍵點；

以所述直升機牽引的起點、終點以及中間關鍵點作為B樣條函數曲線的型值點，利用所述型值點反求控制點，加入約束條件對所求的控制點進行優化處理，采用逐步二次規劃的方法求解最優控制點，將所述最優控制點擬合成B樣條函數曲線，得到直升機的最優牽引路徑。

2.根據權利要求1所述的海上作業直升機快速回收的力覺引導遙操縱控制方法，其特征在于，所述B樣條函數曲線為均勻三次B樣條曲線。

3.根據權利要求1所述的海上作業直升機快速回收的力覺引導遙操縱控制方法，其特征在于，所述約束條件包括：通過事先預定好的最優路徑關鍵點并期望每段曲線的初始位置能落在最優路徑關鍵點上；直升機的起點和終點方位角對曲線首尾切線的約束；滿足最優路徑最小轉彎半徑對路徑曲線的曲率約束。

4.根據權利要求1所述的海上作業直升機快速回收的力覺引導遙操縱控制方法，其特征在于，根據所述系留裝置的最優路徑，通過人工勢場求解虛擬引導力，包括：

基于所述系留裝置的最優路徑，構建系留裝置運動的人工勢能場，所述系留裝置的最優路徑代表低勢能區，船上建筑環境代表高勢能區；所述低勢能區產生虛擬引力，所述高勢能區產生虛擬斥力；

對所述虛擬引力和所述虛擬斥力進行加權處理，得到所述系留裝置的虛擬引導力。

5.根據權利要求4所述的海上作業直升機快速回收的力覺引導遙操縱控制方法，其特征在于，基于所述系留裝置的最優路徑，構建系留裝置運動的人工勢能場，包括：

基于隨著系留裝置距離目標位置的距離越遠而單調遞增的原則構建引力場V_att：

其中，d(r)＝||r₀-r||為系留裝置當前位姿r與期望位姿r₀的距離，ζ表示的是引力勢場的增益比例系數；

基于隨著系留裝置距離障礙物距離的增大而減小的原則構建斥力場V_rep：

其中，ρ(r)為系留裝置沿其速度方向與障礙物邊界的最短距離；η為斥力勢場中的增益比例系數，ρ₀為障礙物對系留裝置的作用距離，超過這個距離將不作為障礙物處理；

依據系留裝置的當前位置ξ_c，構建沿著期望路徑的“吸引子”位置ξ_d：

ξ_d＝ξ(s_p+Δs)；

其中，s_p＝argmin_s||ξ_c-ξ(s)||，表示的是路徑點ξ(s_p)為系留裝置當前位置ξ_c在期望路徑ξ(s)的最鄰近投影點，Δs為前瞻量；

基于上述構建的引力場和斥力場，構建“吸引子”位置ξ_d與系留裝置當前位置ξ_c的虛擬引力F_ξ：

其中，為梯度符號，為勢函數V_ξ的梯度向量的轉置，λ為虛擬力的比例系數；

根據直升機牽引過程中車身運動速度方向與障礙物的距離，構建系留裝置的虛擬斥力F_γ如下：

其中，k是比例因子，ρ₀為障礙物對系留裝置的作用距離，為系留裝置運動速度的單位向量。

6.根據權利要求5所述的海上作業直升機快速回收的力覺引導遙操縱控制方法，其特征在于，將所述虛擬引導力同操作人員的操縱力共享融合，共同作為系留裝置手控器的輸入信號，通過力-位置混合控制實現系留裝置手控器對操作人員行為的力覺引導，包括：

將所述虛擬引力F_ξ和所述虛擬斥力F_γ進行加權合成，映射至手控器的各個關節，得到手控器的虛擬引導力τ_a：

τ_a＝αF_ξ+βF_γ；

其中，α、β分別為不同引力、斥力的影響因數；

手控器在虛擬引導力τ_a、操作人員的操縱力F_h共同作用下，產生期望運動趨勢ξ_D；將手控器的關節運動簡化為質量-阻尼系統，基于所述運動趨勢設計手控器的位置預測控制器：

其中，M、B分別為手控器的慣量矩陣和阻尼矩陣，K_a、K_h分別為手控器自主控制和操作者手動控制的權值系數，J_ξ為手控器的雅克比矩陣；

按下式設計手控器的控制量u_m，使其跟蹤位置預測器輸出運動趨勢信號；

其中，K_m、B_m分別為位置預測控制器的比例增益和微分增益，ξ_D為期望運動趨勢，ξ_C為當前運動趨勢。