一种基于动态重心补偿的旋翼飞行机械臂系统及算法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于动态重心补偿的旋翼飞行机械臂系统及算法，所述系统包括旋翼飞行平台、图像传感器、连接架、机械臂系统、系统控制器和地面站控制装置；所述旋翼飞行平台包括旋翼飞行器和飞行控制器；所述图像传感器安装在所述旋翼飞行平台的前下方；所述连接架是一块机械板，用于固定连接所述旋翼飞行平台、图像传感器和机械臂系统；所述机械臂系统安装在旋翼飞行平台的正下方；所述系统控制器安装在旋翼飞行平台的正上方；所述地面站控制装置与所述系统控制器之间采用无线方式进行通讯。该系统结构设计合理，安全性高，稳定性强；该算法提升了抓取的准确率，同时也提高了抓取时间效率。

A rotor flying manipulator system and algorithm based on dynamic barycenter compensation

The invention discloses a rotor flying machine arm system and algorithm based on dynamic gravity center compensation. The system includes a rotor flying platform, an image sensor, a connection frame, a manipulator system, a system controller and a ground station control device, and the rotor flight platform includes a rotorcraft and a flight controller; the image is described. The sensor is mounted on the front of the rotor flight platform, which is a mechanical plate for fixed connecting rotor flight platform, image sensor, and manipulator system. The manipulator system is installed below the rotor flight platform, and the system controller is installed above the rotor flying platform. The ground station control device communicates with the system controller in wireless mode. The system has reasonable structure, high security and strong stability. The algorithm improves the accuracy of grasping and improves the efficiency of grasping time.

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态重心补偿的旋翼飞行机械臂系统及算法
本专利技术属于机器人设计和控制
，涉及一种飞行机器人，具体涉及一种基于动态重心补偿的旋翼飞行机械臂系统及算法。
技术介绍
在地面移动机器人技术高速发展的同时，无人飞行器的研究也取得了突破性进展，因其具有体积小、操作灵活、悬停等特点，在监测、地图遥感、商业航拍、农业应用等领域得到了广泛的应用，但大多属于被动观测。随着研究技术的不断发展，人们期望飞行机器人能与环境相互作用。随着地面机器人装载多自由度机械臂而构成的地面操作机器人在救灾救援以及反恐防爆等领域得到认可并成功应用，受此激发，人们把在飞行器平台上搭载多自由度机械臂组成具有高性能的飞行平台称为无人空中操纵器。此举措将移动机器人的工作区域从二维空间扩展到三维空间，同时扩展了无人飞行器的应用范围，如空中操纵、空中运输等。2015年，马乐、杨保林等人在公开号为“CN105014687A”、名称为“一种带有多旋翼无人机的机械臂”的专利技术专利中公开了一种带有多旋翼无人机的机械臂，机械臂由大臂、小臂和夹持器组成，固定连接在多旋翼无人机下方。该专利技术虽然解决了无法自由在高空运作问题，但是由于所述机械臂自由度少，缺乏灵活性，应用范围有限。2017年，陈浩耀、全凤宇在公开号为“CN106985159A”、名称为“一种带有柔性抓取器的飞行机械臂”的专利技术专利中公开了一种带有柔性抓取器的旋翼飞行机械臂，其中多自由度机械臂和旋翼飞行器相连，柔性抓取器和多自由度机械臂相连，以更好的适应抓取物外形。虽然该专利技术所述机械臂自由度增加，具备足够的灵活性，但只在结构上加以改进，而没有充分考虑机械臂与旋翼飞行器之间的耦合以及干扰，在抓取作业中缺乏稳定性，很可能导致抓取失败，同时仅依靠人工定位方式实现抓取，一般需要多次试探，效率低下，而且在目标与操作人员相距较远的情况下无法完成抓取。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于动态重心补偿的旋翼飞行机械臂系统及算法，该系统结构设计合理，安全性高，稳定性强；该算法在保证旋翼飞行机械臂系统稳定飞行的基础上，基于视觉伺服控制方法能更准确的自动定位在抓取目标上，提升了抓取的准确率，同时也提高了抓取时间效率。为此，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于动态重心补偿的旋翼飞行机械臂系统，包括旋翼飞行平台、图像传感器、连接架、机械臂系统、系统控制器和地面站控制装置；所述旋翼飞行平台包括旋翼飞行器和飞行控制器；所述图像传感器安装在所述旋翼飞行平台的前下方；所述连接架是一块机械板，用于固定连接所述旋翼飞行平台、图像传感器和机械臂系统；所述机械臂系统安装在旋翼飞行平台的正下方；所述系统控制器安装在旋翼飞行平台的正上方；所述地面站控制装置与所述系统控制器之间采用无线方式进行通讯。进一步地，所述旋翼飞行器包括机架、机臂、动力设备及驱动装置、电源模块、定位模块、遥控与接收器；所述机架是飞行器平台的机身，也是其他组成系统模块的基本载体；所述机臂连接在机身上；所述动力设备及驱动装置包括无刷电机、无刷电调和螺旋桨，所述无刷电调与无刷电机相连，所述螺旋桨安装在无刷电机上；所述电源模块包括航模电池、稳压电路以及电池低压报警装置；所述定位模块用于确定旋翼飞行器相对地面的位置。进一步地，所述机臂为4个，相邻机臂相互垂直；所述动力设备及驱动装置为4组，每组对应一个机臂；所述机架为550轴距的碳纤维铝合金机架；所述飞行控制器采用内核32位处理器，包括能实时测量飞行器姿态信息的9轴惯性测量单元，对一切飞行控制信号集中处理，同时接收并处理系统控制器的信号。优选地，所述图像传感器用于实时获取目标信息并传送至系统控制器。优选地，所述机械臂系统是一个五自由度机械臂系统，包括五个机器人舵机和抓取手；所述机械臂系统的执行机构包括第一转向机构、第一收放机构、第二收放机构、第二转向机构和夹持机构；第一舵机分别与连接架和第一连杆相连组成第一转向结构，第二舵机和第三舵机分别与第一连杆、第二连杆和第三连杆串接组成第一收放机构和第二收放机构，第四舵机和第三连杆组成第二转向机构，第五舵机与抓取手组成夹持机构；夹持机构是直接与抓取目标接触的部件，收放机构带动夹持机构接触目标，转向机构通过自身旋转调整夹持机构的动作方向，使夹持机构以正确的方向打开抓取手。优选地，所述地面站控制装置包括机械臂系统控制模块、旋翼飞行器控制模块、图像信息显示模块；所述机械臂系统控制模块用于实现机械臂的运动模式选择，包括仿真模式和实际模式、串口设置、机械臂角度变化速度调节、机械臂运动控制，所述机械臂运动控制包括在笛卡尔空间的线运动控制和关节角运动控制；旋翼飞行器控制模块包括飞行器在笛卡尔空间的上下左右运动步长调节设置和位置坐标和姿态角信息的显示；图像信息显示模块包括相机串口设置、目标的图像显示和像素坐标显示。优选地，所述地面站控制装置、系统控制器与飞行控制器之间保持实时通讯；所述飞行控制器通过融合惯性测量单元和GPS等传感器测量数据获取实时位姿信息，并通过动态重心补偿算法实现飞行器的位置控制、姿态控制，实现旋翼飞行机械臂系统的稳定飞行；所述系统控制器通过视觉伺服控制方法来控制机械臂各关节的协调运动，实现目标的自主定位和抓取。一种动态重心补偿算法，包括以下步骤：步骤一，数据读取；步骤二，系统重心估算；步骤三，基于重心补偿设计旋翼飞行器的位置和姿态控制器。进一步地，步骤二的具体过程如下：(1)计算关节臂i的质心相对于机体坐标系{B}的位置坐标pi：式中：分别表示关节臂i坐标系Ji相对于飞行平台坐标系{B}的旋转变换矩阵和位置坐标，是关节臂i的质心相对于关节臂i坐标系Ji的局部坐标；(2)估算目标抓取物体质量md，当旋翼飞行器悬停于某一点时，其俯仰角和翻滚角都为0的情况下，其升力u1大小与系统所受总重力相等，根据受力分析有：利用最小二乘法进行求解，可得md的估计值为：(3)令机体坐标系为系统重心参考坐标系，根据多体系统质心求解理论，旋翼飞行机械臂系统的重心为：进一步地，步骤三的具体过程如下：(1)定义机体坐标系{B}在世界坐标系{I}中位置矢量和方向向量分别为ξ＝[x,y,z]T，具有重心补偿的目标姿态角度和总升力分别为：其中：m为旋翼飞行机械臂系统总质量，a1，a2，a3为位置重心补偿项；(2)根据位置控制器的输出得到期望的姿态信息，结合系统动力学模型，加入姿态控制重心补偿项，设计姿态稳定控制器：其中：(Ixx,Iyy,Izz)T为系统惯性张量，c1,c2,c3为重心补偿项，βi(i＝1,2,...,6)为常数，输出分别表示旋翼飞行器做横滚运动、俯仰运动以及偏航运动所需控制量；(3)经过解耦输出到各电机，驱动螺旋桨旋转，控制旋翼飞行机械臂系统稳定飞行。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)稳定性强。旋翼飞行机械臂系统的稳定性受外部干扰和机械臂运动影响，尤其是机械臂在执行抓取动作时，机械臂运动引起旋翼飞行机械臂系统重心严重偏移。加入动态重心补偿项具有良好的补偿效果，提高了系统的姿态控制性能，增强了稳定性。(2)准确率高，效率高。本专利技术提出的动态重心补偿算法在保证旋翼飞行机械臂系统的稳定飞行的基础上，基于视觉伺服控制方法能更准确的自动定位在抓取目标上，提升了抓取的准确率，同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于动态重心补偿的旋翼飞行机械臂系统，包括旋翼飞行平台、图像传感器、连接架、机械臂系统、系统控制器和地面站控制装置，其特征在于：所述旋翼飞行平台包括旋翼飞行器和飞行控制器；所述图像传感器安装在所述旋翼飞行平台的前下方；所述连接架是一块机械板，用于固定连接所述旋翼飞行平台、图像传感器和机械臂系统；所述机械臂系统安装在旋翼飞行平台的正下方；所述系统控制器安装在旋翼飞行平台的正上方；所述地面站控制装置与所述系统控制器之间采用无线方式进行通讯。

【技术特征摘要】
1.一种基于动态重心补偿的旋翼飞行机械臂系统，包括旋翼飞行平台、图像传感器、连接架、机械臂系统、系统控制器和地面站控制装置，其特征在于：所述旋翼飞行平台包括旋翼飞行器和飞行控制器；所述图像传感器安装在所述旋翼飞行平台的前下方；所述连接架是一块机械板，用于固定连接所述旋翼飞行平台、图像传感器和机械臂系统；所述机械臂系统安装在旋翼飞行平台的正下方；所述系统控制器安装在旋翼飞行平台的正上方；所述地面站控制装置与所述系统控制器之间采用无线方式进行通讯。2.根据权利要求1所述的一种基于动态重心补偿的旋翼飞行机械臂系统，其特征在于：所述旋翼飞行器包括机架、机臂、动力设备及驱动装置、电源模块、定位模块、遥控与接收器；所述机架是飞行器平台的机身，也是其他组成系统模块的基本载体；所述机臂连接在机身上；所述动力设备及驱动装置包括无刷电机、无刷电调和螺旋桨，所述无刷电调与无刷电机相连，所述螺旋桨安装在无刷电机上；所述电源模块包括航模电池、稳压电路以及电池低压报警装置；所述定位模块用于确定旋翼飞行器相对地面的位置。3.根据权利要求2所述的一种基于动态重心补偿的旋翼飞行机械臂系统，其特征在于：所述机臂为4个，相邻机臂相互垂直；所述动力设备及驱动装置为4组，每组对应一个机臂；所述机架为550轴距的碳纤维铝合金机架；所述飞行控制器采用内核32位处理器，包括能实时测量飞行器姿态信息的9轴惯性测量单元，对一切飞行控制信号集中处理，同时接收并处理系统控制器的信号。4.根据权利要求1所述的一种基于动态重心补偿的旋翼飞行机械臂系统，其特征在于：所述图像传感器用于实时获取目标信息并传送至系统控制器。5.根据权利要求1所述的一种基于动态重心补偿的旋翼飞行机械臂系统，其特征在于：所述机械臂系统是一个五自由度机械臂系统，包括五个机器人舵机和抓取手；所述机械臂系统的执行机构包括第一转向机构、第一收放机构、第二收放机构、第二转向机构和夹持机构；第一舵机分别与连接架和第一连杆相连组成第一转向结构，第二舵机和第三舵机分别与第一连杆、第二连杆和第三连杆串接组成第一收放机构和第二收放机构，第四舵机和第三连杆组成第二转向机构，第五舵机与抓取手组成夹持机构；夹持机构是直接与抓取目标接触的部件，收放机构带动夹持机构接触目标，转向机构通过自身旋转调整夹持机构的动作方向，使夹持机构以正确的方向打开抓取手。6.根据权利要求1所述的一种基于动态重心补偿的旋翼飞行机械臂系统，其特征在于：所述地面站控制装置包括机械臂系统控制模块、旋翼飞行器控制模块、图像信息显示模块；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭建豪，刘芯，钟杭，王耀南，李希，韩奇，孙敬陶，李瑞涵，罗琼华，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43