【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及空中作业机器人，特别涉及一种不确定接触环境下空中交互的自适应阻抗控制方法及系统。
技术介绍
1、早期，空中机器人由于具有较高的灵活性和机动能力，主要用于执行被动观测任务。虽然空中机器人是执行观测任务的理想平台，但它们缺乏与外部环境主动交互的能力。为了实现主动空中作业，将主动操作机构安装在空中机器人上，形成一个组合系统来执行主动操作任务。这种新颖的空中机器人被称为空中作业机器人。最近，已经研究了空中作业机器人的巨大潜在应用，以实现物体抓取、负载运输和基础设施检测。对于基础设施检测作业，现有的方法需要利用接触环境的位置和刚度等信息参数进行控制设计。然而，对于实际应用场合，在建立接触之前，通常难以完全了解准确的接触点和接触刚度，随后控制系统可能会表现出较差的力跟踪特性。为了促进基础设施空中检测作业，亟需发展空中作业机器人在持续强耦合下与外部不确定环境稳定的空中物理交互能力。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提出一种不确定接触环境下空中交互的自适应阻抗控制方法及系统，其目的是为了解决
技术介绍
中空中作业机器人与不确定接触环境稳定力交互检测的技术问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一方面，一种不确定接触环境下空中交互的自适应阻抗控制方法，包括：
4、构建交互系统模型：构建不确定接触环境下空中交互系统模型，包括空中作业机器人系统动力学模型、环境接触模型和改进的目标阻抗模型；
5、位置鲁棒控制器设计：基于
6、姿态环期望计算：根据位置鲁棒控制器输入力和给定的期望偏航角，计算姿态环期望的翻滚角和俯仰角；
7、自适应姿态控制器设计：基于空中作业机器人系统动力学模型的姿态动力学模型与计算得到的姿态环期望的翻滚角和俯仰角，根据非奇异终端滑模变量，设计空中作业机器人自适应姿态控制器；
8、估计不确定环境设计：根据环境接触模型和改进的目标阻抗模型，引入自适应机制在线估计不确定环境的位置和刚度参数，获得修正后的期望的空中作业机器人x方向的命令位置；
9、交互控制：利用所述的空中作业机器人位置鲁棒控制器和空中作业机器人自适应姿态控制器，对修正后的期望的空中作业机器人x方向的命令位置进行跟踪控制，实现空中作业机器人与不确定环境稳定力交互。
10、进一步地，所述不确定接触环境下空中交互系统模型构建过程具体包括：
11、步骤s101：利用牛顿-欧拉法，构建空中作业机器人系统动力学模型，包括位置、姿态动力学模型，具体如下：
12、位置动力学模型：
13、姿态动力学模型：
14、其中，为空中作业机器人系统总质量，为重力常数，e3＝[0,0,1]t；和分别为系统重心位置在x，y，z方向上的坐标的和欧拉角，φ、θ、ψ分别表示空中作业机器人的翻滚、俯仰和偏航角，表示p的二阶导数；j(φ)和分别是惯性矩阵和科式矩阵，是广义输入力和是内环输入力矩；fe和分别记作环境扰动力和力矩；表示实数；和分别为φ的一阶导数和二阶导数；
15、步骤s102：空中作业机器人系统模型不确定性采用如下公式表示：
16、
17、
18、
19、其中，和为空中作业机器人系统动力学模型的已知部分，δm，δj(φ)和表示空中作业机器人系统动力学模型的不确定性部分；其中，为空中作业机器人系统动力学模型的位置动力学模型的已知部分，和为空中作业机器人系统动力学模型的姿态动力学模型的惯性项和科式项已知部分，δm表示作业机器人系统动力学模型的位置动力学模型的不确定性部分，δj(φ)和表示空中作业机器人系统动力学模型的姿态动力学模型的惯性项和科式项不确定性部分；
20、考虑在实际运用中，难以获得精确的作业型飞行机器人系统模型知识，因此作业型飞行机器人系统模型不确定性采用以上公式表达；
21、步骤s103：建立接触环境模型如下：
22、fx＝ke(x-xe)，x≥xe (6)
23、其中，fx＝[1 0 0]fe，fx表示在x方向空中作业机器人对不确定接触环境施加的力，ke和xe分别表示不确定接触环境的刚度和x方向位置，x表示空中作业机器人的x方向位置；
24、步骤s104：将比例-积分-微分补偿器用于力误差，得到如下改进的目标阻抗模型：
25、
26、其中，xr和xc分别记作空中作业机器人x方向的参考位置和命令位置；md，bd和kd分别表示质量、阻尼和刚度系数；kp，ki和kv表示pid常数控制增益；ef＝fr-fx记作力跟踪误差，其中fr为参考力。
27、为了促进力跟踪误差向零收敛，同时部分消除增加的增益；
28、进一步地，所述位置鲁棒控制器设计过程具体为：
29、步骤s201：定义命令的位置轨迹pc＝[xc,yc,zc]t，其中xc，yc和zc分别表示x、y、z方向的命令位置坐标，t表示转置，根据命令位置轨迹计算位置跟踪误差为ep＝p-pc，然后利用位置误差设计关于位置误差的非奇异终端滑模变量：
30、
31、其中，sp表示关于位置误差的非奇异终端滑模变量，γp和σp是正常数，γp＞0，1＜σp＜2；其中符号‖·‖表示欧几里得范数，sgn(·)记作标准的符号函数；表示ep的一阶导数，
32、步骤s202：在设计位置控制器之前，设置位置边界假设如下：
33、
34、其中，λmin(πp)是πp的最小特征值，α＞0记作位置环总体扰动的边界；δp和dp表示中间变量，
35、步骤s203：根据式(8)，设计位置鲁棒控制器为：
36、fu＝fu0+fu1 (10)
37、
38、
39、其中，fu表示位置控制输入，fu0表示当‖dp‖＝0时的等效控制输入，fu1表示抑制扰动的控制输入，为α的估计值；表示命令的位置轨迹pc的二阶导数，表示位置跟踪误差ep的一阶导数，是的三个元素；
40、步骤s204：构造的自适应率更新如下：
41、
42、且，
43、其中，μ＞0是正常数，并且定义一个正常数ε用来调节预定义的边界区域，然后位置跟踪误差将收敛并保持在区域内；ts记作对于任意‖sp(0)‖＞ε/2，‖sp‖首次进入区域[-ε/2,ε/2]的时刻，如果初始时刻‖sp(0)‖≤ε/2，那么ts＝0；
44、其中，hf(sp)是避免控制超调现象的障碍函数。
45、进一步地，所述姿态环期望计算具体为：
46、根据式(10)的位置控制输入fu＝[fu(1),fu(2),fu(3)]t和给定的参考偏航角ψd，计算如下参考的翻滚角φr和俯仰角θr：
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1.一种不确定接触环境下空中交互的自适应阻抗控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的不确定接触环境下空中交互的自适应阻抗控制方法，其特征在于，所述不确定接触环境下空中交互系统模型构建过程具体包括：
3.根据权利要求2所述的不确定接触环境下空中交互的自适应阻抗控制方法，其特征在于，所述位置鲁棒控制器设计过程具体为：
4.根据权利要求3所述的不确定接触环境下空中交互的自适应阻抗控制方法，其特征在于，所述姿态环期望计算具体为：
5.根据权利要求4所述的不确定接触环境下空中交互的自适应阻抗控制方法，其特征在于，所述自适应姿态控制器设计过程具体为：
6.根据权利要求5所述的不确定接触环境下空中交互的自适应阻抗控制方法，其特征在于，所述估计不确定环境设计具体为：
7.一种基于权利要求1-6任一项所述方法的系统，其特征在于：包括：
8.一种带自适应阻抗控制的空中作业机器人，其特征在于：至少包括：
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于：存储了一个或多个计算机程序，所述计算机程序被处理器
...【技术特征摘要】
1.一种不确定接触环境下空中交互的自适应阻抗控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的不确定接触环境下空中交互的自适应阻抗控制方法，其特征在于，所述不确定接触环境下空中交互系统模型构建过程具体包括：
3.根据权利要求2所述的不确定接触环境下空中交互的自适应阻抗控制方法，其特征在于，所述位置鲁棒控制器设计过程具体为：
4.根据权利要求3所述的不确定接触环境下空中交互的自适应阻抗控制方法，其特征在于，所述姿态环期望计算具体为：
5.根据权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：钟杭，梁嘉诚，王耀南，张辉，毛建旭，彭伟星，江一鸣，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：
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