一种作业型飞行机器人抓取后的位姿稳定控制方法技术

本发明专利技术涉及一种作业型飞行机器人抓取后的位姿稳定控制方法，首先，利用牛顿‑欧拉方程法对四旋翼无人机搭载机械臂系统建模；然后，在位置控制器中考虑重心偏移系统参数，在滑模控制中补偿重心偏移系统参数，使四旋翼无人机平台按目标轨迹飞行；接着，解算出四旋翼无人机平台按期望轨迹飞行所需的期望翻滚角、期望俯仰角和升力；在姿态控制器中考虑重心偏移控制参数和惯性张量不为常数，在姿态控制器中加入自适应去估计重心偏移控制参数和惯性张量，并加入CMAC神经网络在线逼近惯性张量的真实值，解算出所需的输入力矩，进而联立解算出四个旋翼的的转速。本发明专利技术能解决姿态控制律中时变参数未知以及姿态控制稳定不足和重心偏移对位置稳定不足问题。

A method of position and attitude stabilization control for operational flying robot after grasping

【技术实现步骤摘要】
一种作业型飞行机器人抓取后的位姿稳定控制方法
本专利技术涉及作业型飞行机器人飞行抓取领域，特别是一种作业型飞行机器人抓取后的位姿稳定控制方法。
技术介绍
四旋翼无人机是利用无线电遥操作和自备程序控制装置的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主操作。四旋翼无人机已经是成熟的飞行平台，可以在该飞行平台上搭载不同组件扩展飞行平台在不同领域的应用。如今，快递日均亿件的时代已经到来，四旋翼无人机被成功的应用在物流货运。在农业、高空维修和清洁等方面都有四旋翼无人机应用的潜能。其中，这些应用不乏需要在四旋翼无人机平台上搭载机械臂，将二者结合起来就是空中智能机器人，如此高端的设备可使工业获得很大的便利。在救灾过程中，四旋翼无人机不再只是探测，而是救援的一环。上述的这些应用都有一个飞行抓取的动作。想要凭借指令飞行抓取，就还有一些技术难点需要攻克。稳定抓取，是控制工程对飞行抓取首要解决的问题。以往影响四旋翼无人机稳定的主要因素是气流，而机械臂的加入，系统的重心位置发生改变，特别是在机械臂末端有负载时会严重影响无人机平台稳定。r>对于飞行抓取的重本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种作业型飞行机器人抓取后的位姿稳定控制方法，提供一四旋翼无人机搭载机械臂系统，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤S1：利用牛顿-欧拉方程法对四旋翼无人机搭载机械臂系统建模，不忽略重心偏移造成的干扰，惯性张量不为常数；/n步骤S2：在步骤S1建立的模型的基础上，基于滑模控制设计位置控制器用以进行位置稳定跟踪，用以补偿重心偏移系统参数，使四旋翼无人机按期望轨迹d

【技术特征摘要】
1.一种作业型飞行机器人抓取后的位姿稳定控制方法，提供一四旋翼无人机搭载机械臂系统，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：利用牛顿-欧拉方程法对四旋翼无人机搭载机械臂系统建模，不忽略重心偏移造成的干扰，惯性张量不为常数；
步骤S2：在步骤S1建立的模型的基础上，基于滑模控制设计位置控制器用以进行位置稳定跟踪，用以补偿重心偏移系统参数，使四旋翼无人机按期望轨迹dT飞行；
步骤S3：进行姿态解耦：解算出四旋翼无人机按期望轨迹dT飞行所需的期望翻滚角期望俯仰角θd和升力u1；
步骤S4：在步骤S1建立的模型的基础上，基于滑模控制设计姿态控制器用以进行姿态稳定跟踪，并考虑重心偏移控制参数和惯性张量不为常数，姿态控制器中加入自适应去估计重心偏移控制参数和惯性张量，并加入CMAC神经网络在线逼近惯性张量的真实值，用以提高姿态控制精度，并解算出所需的输入力矩ui，i＝2,3,4，u2为翻滚角子系统的输入力矩，u3为俯仰角子系统的输入力矩，u4为偏航角子系统的输入力矩；
步骤S5：通过升力u1、翻滚力矩u2、俯仰力矩u3、偏航力矩u4联立解算出四个旋翼的转速ωi，i＝1，2,3,4；所述四旋翼无人机搭载机械臂系统通过解算出四个旋翼的转速控制无人机飞行，用以实现位姿稳定控制。


2.根据权利要求1所述的一种作业型飞行机器人抓取后的位姿稳定控制方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下内容：
对四旋翼飞行机械臂系统建模，根据力平衡和力矩平衡得到：



其中，F为系统所受的外力；M为系统所受的外力矩；ms为系统总质量；r'为作业型飞行机器人重心在飞行平台坐标系内的位置；r0为飞行平台在世界坐标系的位置；B为系统的推动力；Ω是无人机平台在世界坐标系的角速度矢量；I为系统的惯性张量；表示为Ω进行一次微分，表示为对r0的二次微分。


3.根据权利要求1所述的一种作业型飞行机器人抓取后的位姿稳定控制方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：在四旋翼无人机搭载机械臂系统中输入在惯性坐标的期望轨迹dT＝[xTyTzT]T；对期望轨迹求二阶微分，求解出期望加速度
步骤S22：利用卡尔曼滤波融合超宽带定位技术测量四旋翼无人机平台在世界坐标系内的位置，获取当前四旋翼无人机平台位置信息d＝[xyz]T；
步骤S23：令跟踪误差向量为δ；实时测量四旋翼无人机平台的与期望轨迹的误差；
δ＝dT-d,δ∈R3(2)
步骤S24：用一个一阶滑模函数s，定义状态空间中的时变曲面：






步骤S25：姿态解耦考虑重心偏移系统参数h，用以提高四旋翼无人机搭载机械臂系统建模精度，h＝[h1,h2,h3]T，h1表示重心偏移系统参数在x轴分量，h2表示重心偏移系统参数在y轴分量，h3表示重心偏移系统参数在z轴分量；h有界，存在正标量参数ρ，有|h|≤ρ；
步骤S26：定义一个饱和函数，饱和函数表示为：



其中，存在正标量参数ε和β，有0＜ε＜1，β＞0；
步骤S27：综上，位置控制器为：



其中，鲁棒项v为：



其中，η为中间变量表示为η＝[η1，η2，η3]T。


4.根据权利要求3所述的一种作业型飞行机器人抓取后的位姿稳定控制方法，其特征在于：所述步骤S3的具体内容为：
结合式(6)，令偏航角为ψd，其中-π＜ψd＜π，从而输出所需要翻滚角俯仰角θd；



其中，g为重力加速度；结合式(6)、(8)，求得升力u1；





5.根据权利要求3所述的一种作业型飞行机器人抓取后的位姿稳定控制方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括以下步骤：
步骤S41：令四旋翼无人机搭载机械臂系统中四旋翼无人机的三种姿态中的翻滚角子系统为第1个子系统，俯仰角子系统为第2个子系统，偏航角为第3个子系统；q为绕y轴俯仰的角速度，p为绕x轴翻滚的角速度，r为绕z轴偏航的角速度；翻滚角状态方程如下：



u2为翻滚子系统的输入力矩，Ix、Iy和Iz是分别关于x，y和z轴的转动惯量；c1为重心偏移控制参数；
步骤S42：通过卡尔曼滤波融合三轴惯性测量传感器，获得无人机平台当前的翻滚角俯仰角θ，偏航角ψ；
步骤S43：定义翻滚角跟踪角度误差e1：实时测量四旋翼无人机与期望翻滚角的误差：

【专利技术属性】
技术研发人员：陈彦杰，占巍巍，黄益斌，梁嘉诚，赖宁斌，何炳蔚，林立雄，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35