[發明專利]一種針對多源干擾的無人機機械臂末端位姿控制方法

有效

• 申請號: 202110993793.1
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113618743B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 郭雷;呂尚可;余翔;王萌;陳瑞
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學杭州創新研究院
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 張乾楨

本發明涉及一種針對多源干擾的無人機機械臂末端位姿控制方法，目標是實現特種無人機系統在多源干擾的情況下末端高精度控制。首先，建立特種無人機機械臂末端位姿控制系統多源干擾模型，其次針對系統標稱模型設計魯棒H∞控制器；然后針對多源干擾，設計干擾觀測器，對外部干擾和模型不確定性進行估計和補償；最后，通過合理的選取魯棒H∞控制器和干擾觀測器的參數，保證了機械臂末端位姿的高精度控制。本發明基于復合分層抗干擾控制架構，實現了特種無人機系統在多源干擾下機械臂末端的高精度位姿控制，適用于應急救援、狹小空間內非合作目標捕獲等特種任務。

技術領域

本發明涉及航空技術領域，尤其是一種針對多源干擾的無人機機械臂末端控制方法。對一類受到多源干擾的特種無人機機械臂末端位姿控制系統，通過設計魯棒H∞控制器和干擾觀測器，實現了對多源干擾的實時估計補償和抑制，保證了特種無人機機械臂控制系統的自主抗干擾能力。與傳統的機械臂抗干擾控制方法相比，本發明方法增加了復合控制器的可裁剪性，保證了特種無人機系統在多源干擾下機械臂末端的高精度控制，可適用于應急救援、狹小空間內非合作動態目標捕獲等特種任務。

背景技術

特種無人機機械臂系統是一個由空中基座和機械臂組合而成的，具備高機動、高自主、高靈活性的機器人系統，如圖3所示，其高精度的末端位姿控制是完成空中投遞物資、監測有害環境、應急救援等復雜任務的核心技術。與地面機器人不同，執行抓取作業的特種機器人系統沒有固定基座且由于動力學復雜、系統耦合和外界干擾等原因，對特種無人機的機械臂末端位姿控制系統的自主抗干擾能力帶來了非常嚴峻的挑戰。

特種無人機機械臂控制系統所受多源干擾大致可分為三類：第一類是動力學模型不確定性干擾，特種無人機是一個高度復雜的耦合系統，無論是獨立建模還是聯合建模都存在一定的動力學模型參數不確定性；第二類是機械臂在夾取物體時，物體載荷帶來的外部干擾；第三類是無人機抖動帶來的干擾。其中，模型不確定性干擾和載荷所導致的干擾主要存在機械臂系統的動力學模型中，是影響角空間內機械臂控制精度的主要干擾。在面對多源干擾同時存在的情況下，傳統的控制方法一般會將其視為集總干擾進行處理，但保守性強且控制精度較低，無法滿足實際需求。這些方法都由于未能充分利用干擾的動態特性，因而精度有限，嚴重時會導致系統振蕩甚至發散，為進一步提升在多源干擾下機械臂末端位姿控制系統的精度。近年來，相關學者提出了復合分層抗干擾控制結構，其主要思想是利用不同干擾的動態特性建立其動力學模型，設計魯棒控制器和干擾觀測器相結合的復合控制器，實現基于干擾在線估計和補償的抗干擾控制方法。其中，干擾觀測器對外界干擾進行實時的估計和補償，同時魯棒H∞控制器則對觀測誤差和模型不確定性干擾進行抑制用于保證閉環控制系統的穩定性和魯棒性。復合分層抗干擾控制方法可實現多源干擾的同時抑制與補償，可有效地提升了特種無人機機械臂控制系統的抗干擾能力。

現有的特種無人機機械臂抗干擾控制方法多用基礎控制器，如PID控制器。但在多源干擾同時存在的情況下，該控制方法保守性強且控制精度低。

專利申請號為201910916380.6中提出了一種基于解耦控制的飛行機械臂系統，該方法是利用迭代動力學方程計算機械臂的力矩，然后通過對機械臂的力矩進行補償以提高系統末端控制精度。但該方法存在兩個問題：①當機械臂自由度較高時會存在計算量過大甚至無法進行求解的情況；②該方法并沒有考慮干擾存在情況下的動力學計算，在實際使用會受到一定限制。當實際系統受到一定干擾后，機械臂系統的控制精度會大幅降低。專利申請號為201910532949.9中提出了一種飛行機械臂控制系統，但也存在類似問題：①機械臂自由度過低，僅為二自由度，大大限制了實際使用；②該方法中僅使用了簡單的PID控制，并不能保證系統在存在多源干擾的情況下保證系統收斂，因此在精度和穩定性差。

發明內容