基于球面模型的飞行机械臂视觉伺服结构制造技术

本实用新型专利技术提出基于球面模型的飞行机械臂视觉伺服结构，采用的伺服结构包括无人机、机械臂和控制模块；机械臂安装于无人机的机械臂安装面处；机械臂安装面处还设有深度相机，其拍摄角度与机械臂安装面成角度设置，控制模块使深度相机、机械臂组合为机器人手眼标定系统；所述机械臂末端设有执行器；所述控制模块为可对无人机的飞行进行控制的控制模块；当所述飞行机械臂需对目标进行操作时，控制模块经深度相机对目标距离进行评估，若目标位于机械臂操作范围外，则控制模块驱动无人机向目标飞行，若目标位于机械臂操作范围内，则控制模块驱动机械臂对目标进行操作；本实用新型专利技术能在无人机上挂载具备主动操纵能力的机械臂。人机上挂载具备主动操纵能力的机械臂。人机上挂载具备主动操纵能力的机械臂。

【技术实现步骤摘要】
基于球面模型的飞行机械臂视觉伺服结构


[0001]本技术涉及无人机
，尤其是基于球面模型的飞行机械臂视觉伺服结构。

技术介绍

[0002]无人机系统具有运动机动性强、灵活性高等特点，可以在三维世界中自由飞行，因此近年来得到许多不同领域的行业的广泛运用，例如工业工厂检查、战场侦察、自然灾害侦察、地图创建和测量等方面有着广泛的应用。
[0003]飞行机械臂系统是在无人机上安装具有一定自由度的机械臂，与常规的无人机相比，作业型无人机系统具有诸多优势，它能在飞行过程中实现对空中或地面目标的快速捕捉，能迅速到达地面机器人无法进入的复杂环境中执行安装或回收测量设备等精细作业任务；但传统无人机系统极大地限制了它们主动操纵的能力，因此，研发无人机与环境之间的物理交互的飞行机械臂具有重大意义。本技术正是根据这种需求提出了基于球面模型的飞行机械臂视觉伺服与多任务协调控制方法。

技术实现思路

[0004]本技术提出基于球面模型的飞行机械臂视觉伺服结构，能在无人机上挂载具备主动操纵能力的机械臂。
[0005]本技术采用以下技术方案。
[0006]基于球面模型的飞行机械臂视觉伺服结构，所述伺服结构包括六自由度的无人机、三自由度的机械臂和控制模块；所述机械臂安装于无人机的基座的机械臂安装面处；所述机械臂安装面处还设有深度相机；所述深度相机的拍摄角度与机械臂安装面成角度设置，所述控制模块与深度相机、机械臂相连，并使深度相机、机械臂组合为机器人手眼标定系统。
[0007]所述机械臂包括三个转动关节；所述机械臂安装面位于基座的平台正下方；所述深度相机为Intel RealSense相机。
[0008]所述机械臂末端设有执行器；所述控制模块为可对无人机的飞行进行控制的控制模块；当所述飞行机械臂需对目标进行操作时，控制模块经深度相机对目标距离进行评估，若目标位于机械臂操作范围外，则控制模块驱动无人机向目标飞行，若目标位于机械臂操作范围内，则控制模块驱动机械臂对目标进行操作。
[0009]基于球面模型的飞行机械臂视觉伺服与多任务控制方法，所述控制方法使用上文中的基于球面模型的飞行机械臂视觉伺服结构，包括以下步骤；
[0010]步骤S1：控制模块通过深度相机获取目标物信息，并基于球面模型建立用于伺服飞行控制的球面坐标系，在无人机飞行过程中，基于球面坐标系实时计算目标物相对于无人机的期望位置实时位置之差，以基于球面坐标系的视觉伺服控制方法来控制无人机向目标物飞行，并得到无人机的伺服速度；
[0011]步骤S2：当无人机距目标物较近，使目标物到达相对于无人机的期望位置后，控制模块通过深度相机获取目标物信息和机械臂末端的执行器的信息，并基于球面坐标系对机械臂进行伺服控制，同时得到机械臂在球面坐标系内的角速度；
[0012]步骤S3：通过飞行机械臂视觉误差方程控制机械臂动作，以消除深度相机的视觉误差，使控制模块能够对机械臂进行伺服控制来移动执行器，把机械臂末端的执行器移动定位至目标物处；
[0013]步骤S4：采用针对多任务的协调控制方法控制飞行机械臂，对目标物定位并抓取，所述多任务包括机械臂末端位置控制、估计目标物体姿态、动态补偿系统重心的变化、避免机械臂关节极限，在对目标物定位并抓取的过程中，所述协调控制方法使飞行机械臂所执行的任务类别与飞行机械臂当前工况匹配。
[0014]所述球面模型采用纬度角与经度角坐标m(θ
z
,θ
x
)
T
表示，假设目标物或机械臂的执行器所在位置点在相机坐标系下的坐标为M
i
＝(x
i y
i z
i
)
T
，则有：
[0015][0016]其中，R2＝x2+y2+z2。
[0017]所述步骤S1包括以下步骤；
[0018]步骤S11：球面坐标系为以深度相机为原点的相机坐标系，深度相机在世界坐标系以速度v
o
＝(v
T
,w
T
)
T
移动，设相机观察到的目标物所在位置点为球面特征点，球面特征点相对于相机坐标系的速度为即：
[0019][0020]步骤S12：对公式一求导，并结合公式二得到基于球面的图像雅可比矩阵为：
[0021][0022]步骤S13：得到球面特征点运动方程为：
[0023][0024]其中，v
o
＝(v
T
,w
T
)
T
∈R6×1，v＝(v
x v
y v
z
)
T
∈R3×1、w＝(w
x w
y w
z
)
T
∈R3×1分别表示无人机的平移和旋转速度。
[0025]所述步骤S2包括以下步骤；
[0026]步骤S21：令p
c
＝(x
c y
c z
c
)
T
∈R3×1表示机械臂末端执行器所在位置点P在相机坐
标系下的位置，对公式一进行时间微分，可以得到：
[0027][0028]其中，
[0029]步骤S22：将机械臂末端点P在相机坐标系下速度结合公式二，可以将它表示成末端执行器的运动函数：
[0030][0031]其中，
B
v
e
＝(
B
T
e B
W
e
)
T
∈R6×1表示机械臂末端点的速度矢量。sk()表示向量的斜对称矩阵。
[0032]步骤S23：根据机器人学，
B
v
e
可以表示成机械臂关节角速度函数：
[0033][0034]其中，L(q)∈R6×3为机械臂雅可比矩阵。
[0035]步骤S24：综合公式五、公式六、公式七，可以得到：
[0036][0037]所述飞行机械臂视觉误差方程为：
[0038]e＝m
e-m0ꢀꢀꢀ
(公式九)
[0039]对公式九进行时间微分，可以得到：
[0040][0041]其中，J
first
＝(L
s
ꢀ-
J
ov
ꢀ-
J
owz
)∈R2×7代表系统的第一任务雅可比矩阵，代表系统的广义的速度输入，最后代表系统的广义的速度输入，最后
[0042]所述的步骤S4包括以下步骤：
[0043]步骤S41：第一个任务为对机械臂末端位置的执行器进行控制，可通过公式十得到系统第一个任务的输入控制律为：
[0044][0045]其中，假如J
first
是行满秩的，则Λ1是正常数；
[0046]此时，需要设计含有权值来分离飞行平台和机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于球面模型的飞行机械臂视觉伺服结构，其特征在于：所述伺服结构包括六自由度的无人机、三自由度的机械臂和控制模块；所述机械臂安装于无人机的基座的机械臂安装面处；所述机械臂安装面处还设有深度相机；所述深度相机的拍摄角度与机械臂安装面成角度设置，所述控制模块与深度相机、机械臂相连，并使深度相机、机械臂组合为机器人手眼标定系统。2. 根据权利要求1所述的基于球面模型的飞行机械臂视觉伺服结构，其特征在于：所述机械臂包括三个转动关节；所述机械臂...

【专利技术属性】
技术研发人员：何炳蔚，赖宁斌，陈彦杰，梁嘉诚，林立雄，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：新型
国别省市：