串联型飞行机械臂视觉伺服控制研究

发布时间：2020-07-05 05:09

【摘要】：无人飞行器相比于地面机器人具有更加广阔的活动区域、更加快速的机动性和更加敏捷的反应力,对于时间要求短,任务响应快速的应用场景,无人飞行器将具有前景广阔的应用价值。近几年,多旋翼无人机由于其控制简单,运动灵活的特点,被广泛应用于航空拍摄领域,其主要职责是辅助人们监控与勘察人们很难到达的区域。但是,仅仅通过在多旋翼无人机上安装摄像头进行航拍,缺乏对环境的主动操作,大大限制了其应用的价值,无法充分发挥多旋翼无人机的优势与特点。为了提高多旋翼飞行器与环境的主动交互能力,本文通过在飞行器下方搭载多自由度串联型机械臂的方法,利用机载视觉系统感知环境物体,并控制机械臂与环境产生交互作用。首先,本文设计了六自由度串联型机械臂并进行运动学建模,得到了正逆运动学与微分运动学模型,该模型为后续飞行机械臂的控制提供理论基础。其次,为了提高机械臂对环境操作的准确率与可靠性,本文提出了基于视觉伺服的飞行机械臂运动控制方法。通过比较基于位姿和基于图像两种基本视觉伺服方案的优缺点,本文使用了一种基于位姿的二维增广混合视觉伺服控制方案,该方案能够在基于位姿的视觉伺服控制方案下,利用二维图像误差提供额外的调节,保证视觉伺服目标始终保持在视野范围内,克服了单纯使用基于位姿的视觉伺服方案目标容易丢失的缺点。再者,由于在飞行过程中机械臂的运动与飞行器的运动存在耦合关系,因此为了权衡飞行器本体与机械臂两者之间的运动,本文在飞行机械臂运动学建模的基础上提出了一种运动分配律,使得飞行机械臂系统远离目标物体时,飞行器的运动起主导作用;当靠近目标物体时,机械臂的运动起到主导作用。最后,考虑到机械臂运动中的可能出现奇点问题,本文提出基于奇异值分解的可变阻尼因子最小二乘方法,来减小退化关节的运动,使得机械臂的运动顺滑。为了验证所提方法的有效性,本文搭建了基于机器人操作系统(ROS)的硬件实验平台,在该平台上进行了飞行机械臂系统的抓取操作实验,并对实验室结果进行了详细的分析。从该实验结果能够看出,本文所提出的视觉伺服方法,可以很好地克服机械臂的运动对飞行器本体产生的影响,从而保证了抓取的成功率。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279
【图文】：

巡线,旋翼,无人机,电力

研究背景及意义系统由于其特殊性特别适用于在人们无法到达的远距离或危知甚至是与环境发生交互和接触。随着近几年无人飞行器尤的快速发展，机器人的运用由地面扩展到了空中。无人飞行人具有更加快速的机动性和更加敏捷的反应力，因此适用于，需要做出快速反应的任务当中。相比于固定翼飞行器，旋悬停操作方面有着天然的结构优势，因此，国内外对于旋翼应用在近几年中井喷式地增长。，多旋翼无人机更多的是与各类摄像头相结合应用于航空拍摄对环境甚至是灾难现场进行监控与勘察。例如在电力巡线领摄像头的多旋翼无人机对山区或者峡谷等人们很难到达的地拍摄，如图 1-1 所示。这样操作人员就可以在很远的地方通频图像对这些线路进行检查与诊断，这样大大提高了电力巡响应的成本和风险[1]。

无人机系统,机械臂,旋翼

图 1-2 搭载机械臂的多旋翼无人机系统究现状机构或企业在无人机上安装很简单的机械手，用于危大学王帅[4]和西安航空学院张康智[5]等，但并不涉及无人机理论研究较为深入的有中科院沈阳自动化所京航空航天大学等。沈阳自动化研究所宋大雷和天无人直升机-机械臂的动力学模型，使用模型预测控置和姿态误差，实现悬停的机械臂操作。沈阳自动性参数模型描述了机械臂与飞行器之间的运动耦合计了带前馈补偿 H 控制器，与传统的线性控制，同样是沈阳自动化所的孟祥东等人在六旋翼飞行械臂，实现了室内抓取操作[8]。浙江大学李伟荣等载系统的线性化模型，设计 PID 串级控制器，实现 Dai 与乔治华盛顿大学 T.Lee 针对绳挂系统负载未知

【参考文献】