一种空中作业机器人的自增稳控制方法、装置、终端、系统及可读存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种空中作业机器人的自增稳控制方法、装置、终端、系统及可读存储介质，所述方法包括：获取空中作业机器人的姿态信息；并基于姿态信息计算出位置补偿向量；基于逆运动学利用所述位置补偿向量进行姿态扰动补偿控制。本发明专利技术基于空中作业机器人在姿态变换过程中作业平台与末端作业工具之间的位置向量关系推导出位置补偿向量公式，进而在实际控制过程中，监测空中作业机器人的飞行平台姿态变化并对应计算出位置补偿向量，再控制机器人的关节完成补偿控制，解决了由飞行平台姿态变动而导致末端作业工具扰动的问题，使末端作业工具达到自稳的效果，保证空中作业机器人不受飞行平台姿态扰动的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种空中作业机器人的自增稳控制方法、装置、终端、系统及可读存储介质
本专利技术属于空中作业机器人控制
，具体涉及一种空中作业机器人的自增稳控制方法、装置、终端、系统及可读存储介质。
技术介绍
随着微机电系统技术和高功率密度动力系统技术的快速发展，无人机特别是旋翼无人机在过去二十年里取得了重大突破和较大应用进展，如航空摄影、地图创建与测量、自然灾害救援和战场监控等。但是单纯的无人机也有其限制和局限，如无人机搭载相关测量设备只能作为一种被动的信息观测型机器人无主动作业能力，而无人空中作业机器人由无人机飞行平台和主动作业机构组成，具有对环境进行主动作业的能力，大大的扩展了无人机的局限性。空中机器人作为一类特殊的移动机器人，其关键核心技术研究对促进我国民用无人机快速发展和国防装备信息化、智能化提升具有重要意义。目前，空中作业机器人主要在被动型信息观测机器人得到广泛应用，但是这极大限制了其应用场景，而在信息观测型空中机器人的基础上加入主动执行机构(如机械臂、灵巧手等)得到空中作业机器人能够集感知观测与主动作业于一体，是当前空中机器人发展和研究的必然趋势，其研究不仅对推动移动作业型机器人系统理论的完善具有重要的借鉴意义，且在国家重大能源工程设施的维护作业中具有广泛的应用前景。对于空中作业机器人所使用的飞行平台一般是旋翼飞行平台(如直升机、四旋翼等)，其有一个共同特点就是欠驱动特性，由于旋翼飞行平台自身的欠驱动特性，将探测传感器(如摄像头、激光等)安装在机体上也具有欠驱动特性，使得位置和姿态需要控制耦合。且由于主动操作机构的存在，操作型飞行平台系统在工作过程中的重心位置和所受到的干扰具有强烈的快时变特性，这需要旋翼飞行平台通过改变自身的飞行姿态来应对。然而飞行平台在调制姿态的过程中，固连在其底部的作业机构末端会出现较大扰动从而偏离原始位置，非常不利于空中作业，尤其会对精确控制造成很大影响。综上所述，亟需解决空中作业机器人的自稳问题，从而实现作业末端的精确控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于空中作业机器人的自增稳控制方法，解决飞行平台姿态发生变化时，作业机构的扰动问题，进而实现对作业机构末端的精准控制。一方面，本专利技术提供一种空中作业机器人的自增稳控制方法，包括如下步骤：获取空中作业机器人的姿态信息；并基于姿态信息计算出位置补偿向量；基于逆运动学利用所述位置补偿向量进行姿态扰动补偿控制。进一步优选，所述姿态信息为空中作业机器人姿态变化时飞行平台的机体坐标系的平移偏移量以及旋转变换矩阵，所述位置补偿向量如下所示：式中，OB是初始状态下机械手基坐标系的原点，O'B是姿态变换后机械手基坐标系的原点，P为末端作业工具的目标位置，为位置补偿向量，是初始状态的机械手基坐标下末端作业工具的目标位置向量，VtV'和VRV'分别是姿态变换前后飞行平台机体坐标系的平移偏移和旋转变换矩阵(即，通过机载视觉传感器测量和IMU惯性测量得到)，I3×3是恒等矩阵，VtB为初始状态的机械手基坐标与飞行平台机体坐标系的原始偏移向量，T为矩阵转置符号。其中，基于机载视觉传感器测量和IMU惯性测量等测量得到机器人位置和姿态，进而得到用其表达的平移偏移和旋转变换矩阵。其中，存在一种状态是机械手基坐标系未发生偏移，进而忽略姿态变换前后飞行平台机体坐标系的平移偏移VtV'以及初始状态的机械手基坐标与飞行平台机体坐标系的原始偏移向量VtB，此时，位置补偿向量进一步优选，所述姿态信息是基于空中作业机器人上的机载传感器获取的。进一步优选，所述机载传感器包括视觉传感器和IMU。进一步优选，获取的所述姿态信息包括空中作业机器人姿态变化时飞行平台的机体坐标系的平移偏移量、旋转变换矩阵以及初始状态的机械手基坐标下末端作业工具的目标位置向量。第二方面，本专利技术提供一种空中作业机器人的自增稳控制装置，包括：姿态模块获取：用于获取空中作业机器人的姿态信息；位置补偿向量计算模块：用于基于姿态信息计算出位置补偿向量；补偿控制模块：用于利用所述位置补偿向量基于逆运动学进行姿态扰动补偿控制S1：建立空中作业机器人的坐标系。第三方面，本专利技术提供一种空中作业机器人的自增稳控制终端，包括处理器和存储器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用所述计算机程序执行所述方法的步骤。第四方面，本专利技术提供一种空中作业机器人的自增稳控制系统，包括空中作业机器人以及控制模块，所述控制模块与空中作业机器人的动力模块连接，所述控制模块为所述自增稳控制装置或所述自增稳控制终端。第五方面，本专利技术提供一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用执行所述方法的步骤。有益效果本专利技术提供的所述自增稳控制方法研究空中作业机器人在姿态变换过程中，机械手基坐标系，末端执行器坐标系以及工具坐标系随之变化情况，基于位置向量关系推导出位置补偿向量，从而再利用逆运动学求得达到目标姿态所需要的关节角度，进而控制机器人的关节完成补偿控制，解决了由飞行平台姿态变动而导致末端作业工具扰动的问题，使末端作业工具达到自稳的效果，保证空中作业机器人不受飞行平台姿态扰动的影响正常进行作业，并实现对末端作业工具的精准控制。附图说明图1是本专利技术所述自增稳控制方法的流程示意图。图2是基于逆运动学的姿态扰动补偿几何关系图。具体实施方式本专利技术提供了一种用于空中作业机器人的自增稳控制方法，其用于解决飞行平台改变自身飞行姿态时造成的作业机构末端扰动的问题。本专利技术通过研究飞行平台姿态变化过程中满足的向量关系求解出位置补偿向量，进而利用逆运动学求得达到目标位姿时需要的关节角度向量，进而控制相关关节达到自稳效果。下面结合附图对本专利技术进行说明。所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。为了实现本专利技术实施例所述自增稳控制方法，首先，需要构建无人的空中作业机器人的坐标系。即针对无人空中作业机器人这一复合系统结构复杂的特点，在统一坐标系建立系统的运动学模型。步骤1：先建立无人空中作业机器人的坐标系，针对无人空中作业机器人这一复合系统结构复杂的特点，在统一坐标系建立系统的运动学模型。如图2所示。表示世界坐标系，zI竖直向上且为重力的反方向，OI为世界坐标系的原点。表示飞行平台的机体坐标系，其坐标原点OV优选设置于飞行平台的几何中心，且zV方向为上。为机械手基坐标系(机械手即作业机构)，其原点OB为作业机构与飞行平台的安装点。基于上述坐标系，本专利技术研究飞行平台姿态变化的过程如图2所示，从图中可以看出当飞行平台姿态变化时(图中为偏离中间位置)，若无姿态补偿控制则末端作业工具会运动到P点之外的位置P’，因此，本实施例的目标是通过主动控制作业机构的运动使得末端作业工具维持在P点。具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空中作业机器人的自增稳控制方法，其特征在于：包括如下步骤：/n获取空中作业机器人的姿态信息；/n并基于姿态信息计算出位置补偿向量；/n基于逆运动学利用所述位置补偿向量进行姿态扰动补偿控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种空中作业机器人的自增稳控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
获取空中作业机器人的姿态信息；
并基于姿态信息计算出位置补偿向量；
基于逆运动学利用所述位置补偿向量进行姿态扰动补偿控制。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述姿态信息为空中作业机器人姿态变化时飞行平台的机体坐标系的平移偏移量以及旋转变换矩阵，所述位置补偿向量如下所示：



式中，OB是初始状态下机械手基坐标系的原点，O'B是姿态变换后机械手基坐标系的原点，P为末端作业工具的目标位置，为位置补偿向量，是初始状态的机械手基坐标下末端作业工具的目标位置向量，VtV'和VRV'分别是姿态变换前后飞行平台机体坐标系的平移偏移和旋转变换矩阵，I3×3是恒等矩阵，VtB为初始状态的机械手基坐标与飞行平台机体坐标系的原始偏移向量，T为矩阵转置符号。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述姿态信息是基于空中作业机器人上的机载传感器获取的。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述机载传感器包括视觉传感器和IMU。


5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟杭，王耀南，李玲，张辉，刘理，高加林，
申请(专利权)人：湖南大学，湖南爱米家智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43