The invention discloses a manipulator of airborne multi rotor aircraft in capturing an unknown target, according to the combined control method of visual servoing to position and pose of the vehicle and manipulator, the near arrest unknown targets in multi rotor aircraft, the aircraft carrying the camera itself, by acquiring visual information on the target. The joint control of spacecraft attitude and manipulator position to complete the. First of all, according to the dynamic model of the multi rotor aircraft manipulator system Newton Euler method. Then, according to the visual servo information in different situations, the visual information acquired by airborne camera is analyzed and classified. Finally, on the basis of visual servo information, the joint control of the position and attitude of the vehicle and manipulator is completed.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于视觉伺服的多旋翼飞行器和机载机械臂联合位姿控制。
技术介绍
在多旋翼飞行器的应用发展日益广泛的今天，根据不同的任务需求，多旋翼飞行器的有效载荷种类也多种多样。其中，利用多旋翼飞行器的机载机械臂进行目标捕获和运输已经成为新的国内外研究热点，例如亚马逊公司推出的PrimeAir多旋翼快递无人机。但是大多数现有的此类具有抓捕功能的多旋翼无人机在抓捕过程中，多为定点抓捕，且被捕获目标也多为定尺寸定形状的已知目标。而实际情况往往是：目标尺寸不固定位置不统一。在这种情况下，近距离的视觉位置伺服会由于视场中的目标较大而给出较大的位置调整信号；而这种近距离的大位置调整信号输入到机载机械臂上则会有一个相应的大角度控制输出，这会使得多旋翼无人机的机体本身产生较大的晃动。所以近距离的视觉伺服可能会导致一些列的超调控制。在现有的关于多旋翼控制的专利技术专利多集中在单独的旋翼无人机控制，例如申请号：CN201410164108.4的专利技术专利公开了一整套包括故障模式下的控制系统，但是此控制算法只能适用于多旋翼控制本身。申请号：CN201230276176.1的专利技术专利公开了一个带有三自由度机械臂的多旋翼飞行器的外形设计，但是对于其控制系统，和不同任务模式下的具体控制算法都未有涉及。携带机载机械臂的多旋翼无人机，无论是作为一种取代人力的可能完成日常快递投送，还是在抢险救灾、战场物资配送，或者在一些极端环境下完成特殊任务，都有着极大优势。所以近年来，携带有机械臂的多旋翼无人机成为国内外各大研究机构以及公司的研究热点。而此类多旋翼飞行器在进行抓捕任务时，多采...
【技术保护点】
一种基于视觉伺服的多旋翼飞行器和机载机械臂联合位姿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用Newton‑Euler法推导“多旋翼飞行器‑机械臂”复合体的动力学方程；2)将视觉伺服得到的相机坐标系下的目标位置信息转换为机载机械臂操作平台坐标系下信息；3)设计多旋翼飞行器和机载机械臂联合位姿控制器。
【技术特征摘要】
1.一种基于视觉伺服的多旋翼飞行器和机载机械臂联合位姿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用Newton-Euler法推导“多旋翼飞行器-机械臂”复合体的动力学方程；2)将视觉伺服得到的相机坐标系下的目标位置信息转换为机载机械臂操作平台坐标系下信息；3)设计多旋翼飞行器和机载机械臂联合位姿控制器。2.根据权利要求1所述的基于视觉伺服的多旋翼飞行器和机载机械臂联合位姿控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中，“多旋翼飞行器-机械臂”复合体的动力学方程的推导方法具体如下：携带机械臂的多旋翼飞行器，说明书中1图，m1，m2分别为多旋翼飞行器、多旋翼飞行器携带的机械臂的质量；地面坐标系O-XYZ的坐标原点O在地面指挥站，X轴在当地水平面内并指向水平面内任意方向，Z轴的负方向垂直于水平面并指向地心，Y轴也在水平面内并垂直于X轴，其方向按照右手定则确定；多旋翼本体坐标系Cq-xqyqzq与飞行器固连，其坐标原点Cq为不包括机械臂的多旋翼飞行器质心，xq轴处在飞行器对称平面内并且指向机身前方，yq轴垂直于机身对称平面且指向飞行器机体的左方，zq轴也在飞行器对称平面内且满足右手定则指向机身的上方；机械臂坐标系Cm-xmymzm的坐标原点在主连杆与飞行器的交点，zm轴沿机械臂的主连接臂，并指向机械臂与多旋翼飞行器的连接点的反方向，xm轴和ym轴所构成平面与zm轴垂直，xm轴沿平面并指向平面内任意方向，ym轴沿平面并垂直于xm轴，且满足右手定则；相机坐标系Cc-xcyczc与机械臂坐标系Cm-xmymzm重合；根据以上的坐标系定义和任务需求，现对系统定义如下：多旋翼飞行器具有6个自由度，包括三个位置x，y，z，和三个姿态φ(滚转角)，θ(俯仰角)，ψ(偏航角)；机载机械臂包括两个自由度，分别为α和β。具体各个姿态角的定义如下：多旋翼飞行器滚转角φ：飞行器机体轴Cqzq与通过机体轴Cqxq的铅垂面之间的夹角，并定义飞行器右滚转为正；多旋翼飞行器俯仰角θ：飞行器机体轴Cqxq与水平面之间的夹角，并定义飞行器抬头为正；多旋翼飞行器偏航角ψ：飞行器机体轴Cqxq在水平面上的投影与地面坐标系OX之间的夹角，并定义飞行器右偏航为正；机械臂俯仰角α：机械臂体轴Cmxm与水平面之间的夹角，并定义机械臂抬头为正；机械臂偏航角β：机械臂体轴Cmxm在水平面上的投影与地面坐标系OX之间的夹角，并定义机械臂右偏航为正；为了推导整个系统的动力学公式，在本专利中对研究对象做如下合理假设：①.多旋翼飞行器、机载机械臂和被抓捕目标均视为刚体，忽略其弹性变形；②.飞行器的质心位置始终保持在机体的结构纵轴上，机械臂的质心位置始终保持在机械臂主连杆与副连杆的连接点上；③.飞行器、机械臂的外形结构和质量分布均匀，质心与坐标系原点重合，且结构完全对称；④.被抓捕目标为外形规则的正立方体或长方体，且最长边距不超过机载机械臂的可抓捕范围，且摆放位置平行于当地水平面；根据Newton-Euler，系统的动力学方程为：m1V·11+Ω11×m1V·11+m2V·12+Ω12×m2V·12=FtotalJ1Ω·11+Ω11×J1Ω11+J2Ω·12+Ω12×J2Ω12=Mtotal---(1)]]>本专利中，右下角标1和2分别表示多旋翼飞行器和机载机械臂，左上角标1和2分别表示在多旋翼飞行器坐标系和机载机械臂坐标系下；所以有，1V1＝(u1，v1，w1)T和1V2＝(u2，v2，w2)T分别是多旋翼飞行器和机载机械臂在飞行器坐标系各坐标轴下的线速度分量，而和为线加速度；1Ω1＝(p1，q1，r1)T和1Ω2＝(p1，q1，r1)T分别是多旋翼飞行器和机载机械臂在飞行器坐标系各坐标轴下的角速度分量，而和为角加速度；J1和J2分别是飞行器和机械臂在坐标系轴向的转动惯量，由于假设条件③，可以得到惯性积I1xy＝I1yz＝I1zx＝0，I2xy＝I2yz＝I2zx＝0；Ftotal和Mtotal分别为系统所受的合外力和合外力矩；多旋翼飞行器的角速度1Ω1和航向角ξ1＝(ψ，θ，φ)T之间的转换关系如下：ξ·1=Φ1(ξ1)Ω11---(2)]]>转换矩阵Φ1(ξ1)为绕机体轴的三轴角速率到欧拉角速率的转换矩阵，其表达式如下：Φ1(ξ1)=1sinφtanθcosφtanθ0cosφ-sinφ0sinφsecθcosφsecθ---(3)]]>并且有det(Φ1(ξ1))＝secθ。因此，当俯仰角θ满足θ≠2(2k-1)/π，k∈Z时，矩阵Φ1(ξ1)是可逆的；同样可以得到机载机械臂的角速度1Ω2和其姿态角ξ2＝(α，β，0)T之间的转换关系为：ξ·2=Φ2(ξ2)Ω12---(4)]]>Φ1(ξ1)=10tanβ01000secβ---(5)]]>根据牛顿第二定律可以得到系统的运动学方程：p·1=v1p·2=v2m1v·1+m2v·2=-g(m1+m2)ze+RF---(6)]]>其中，p1＝(x1，y1，z1)T和分别为飞行器在地面坐标系中的位置和线速度；...
【专利技术属性】
技术研发人员：白佶斌，
申请(专利权)人：上海铸天智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31
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