旋翼无人机抓取系统设计与实现
发布时间：2021-08-09 04:58
针对目前旋翼飞行机械臂轨迹规划复杂度高、应用性差,双目摄像头识别定位目标时视差计算非常耗费处理器资源等问题。本文采用单目摄像头,在单目摄像头视觉辅助定位的基础上,利用B样条轨迹规划方法,实现了无人机运动轨迹的快速规划。采用April Tag视觉定位算法,保证了单目摄像头对目标物的快速识别定位,设计了基于位姿的视觉伺服控制器,实现了飞行机械臂的自主抓取。本文首先以STM32F103VET6为核心处理芯片设计了飞控系统板,使用Solid Works软件设计了一款三自由度机械臂。旋翼无人机使用摄像头进行辅助定位,结合设定的点,由三次B样条函数拟合生成平滑的飞行轨迹。然后利用D-H参数法完成机械臂的建模,并对机械臂正逆运动学进行了求解与分析,通过笛卡尔空间直线插补和圆弧插补的方法对机械臂进行轨迹规划。在分析了摄像头模型,进行摄像头标定,手眼标定和采用April Tag视觉定位算法进行物体位姿估计后,设计了眼在手外的基于位姿的视觉伺服控制器。最后完成旋翼无人机抓取系统的硬件平台搭建,进行了自主抓取实验,验证了无人机的稳定性和视觉伺服控制的可行性。
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
无人机的航拍摄影、送输货物、编队娱乐表演
南京信息工程大学硕士学位论文2图1-2沈阳自动化所旋翼无人机抓取系统1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状国内对旋翼无人机的研究晚于国外，对旋翼无人机抓取的很多研究还只是在理论层面，物理样机搭建和实验验证较少。我国研发实力较强的无人机公司是大疆，但是他主要是面向航拍产品研发，且其大部分飞控系统是闭源的。国内目前开源飞控的研发公司有匿名科创、正点原子、无名科创等，但这些无人机公司目前的产品主要针对于高校大学生的竞赛，大多是定点[9]，巡线，避障[10]和自主飞行[11]等功能的开发。因此国内无人机的发展主要依靠高校科研人员的理论研究和一些无人机公司的实践开发。哈尔滨工业大学的王帅等人在旋翼无人机上设计搭载了机械爪来清理特殊危险区域内的物品[12]。中国科学院沈阳自动化所的科研人员将机械臂的运动作为无人机的一种扰动，将无人机和机械臂作为一个整体进行了建模分析，提出了一种增益调整型PID控制解决外部环境力和力矩对系统的影响，并使用仿真验证了该控制算法的稳定性[13]。辛哲奎等人设计了一种机载云台摄像头，通过对云台摄像头的姿态控制，使得目标物保持在摄像头的图像中心[14]。宋大雷等人建立了旋翼飞行机械臂整体动力学模型，设计预测控制器来消除执行器的位姿误差[15]。倪立学等人提出识别出地面目标的一种新方法，可以快速识别目标，使得无人机能够自主着陆[16]。2013年哈尔滨工业大学的徐文福，孟得山等人在漂浮空间机器人上应用了机械臂，研究了漂浮空间机器人的抓取[17]。张广玉等人在一架六旋翼飞行机器上搭载了七自由度机械臂，旋翼无人机和机械臂分两个控制器控制，并通过实验验证了该方法的可行性[18]。
第一章绪论31.2.2国外研究现状国外对无人机的研究起步早，理论研究比较深入，物理样机设计搭建和实验相对成熟。GuenardN等人对于飞行器的控制，采用视觉伺服控制的方法[19]。BouabdallahS等人详细介绍了小型四旋翼无人机的两种控制方法，分别为PID控制和LQ控制方法[20]。LeeDB等人提出了输出反馈跟踪控制方法，对欠驱动的四旋翼无人机进行控制[21]。AltugE等人使用双目摄像头给旋翼无人机提供视觉信息，采用视觉反馈的方式来实现对无人机的控制[22]。Johnson等人利用单目视觉，研究了一种路径规划方法，该方法可让无人机在复杂地形进行飞行规划[23]。以上是许多研究人员对无人机控制方法的研究，只有具备了无人机的稳定控制条件，无人机上搭载机械臂才有可能。接下来研究人员设计搭载了各种结构新颖，功能丰富的机械臂。Doyle等人受鸟类的启发，将欠驱动夹持与机械产生的机械优势相结合设计了被动驱动的机械臂，实现了无人机可以像鸟一样栖息[24]。宾夕法尼亚大学的VijayKumar[25]等人设计搭载了一种微型装置，可以将飞机固定到墙壁上，实现了无人机在墙壁上的栖息。美国犹他州的VaibhavGhadiok等人利用摄像头进行辅助定位，通过视觉SLAM算法实现了自主导航定位和物体抓取[26]。如图1-3(a)所示，Energid机器人公司推出的六旋翼无人机搭载机械臂的物理样机。如图1-3(b)所示，2015年日本Prodrone公司在旋翼无人机上搭载了两只机械手，该系统可以让无人机在物体上“停憩”，且双机械臂抓取更稳，极大提升了旋翼无人机抓取系统的机动灵活性。(a)六旋翼搭载机械臂(b)双臂飞行机器人图1-3国外无人机机械臂研究现状LaiackerM等人在无人直升机上安装七自由度工业机械臂，对于感知模块和执行器
【参考文献】：
期刊论文
[1]室内无人机定点悬控系统[J]. 孟令康,秦海超,鲍丹阳. 机械制造与自动化. 2020(02)
[2]基于GPS位置信息的无人机自动测量弧垂系统研究与应用[J]. 陆布健,何琨才,莫品伟,谢义. 电工技术. 2020(06)
[3]三自由度机械臂增材制造装置及控制系统设计[J]. 韩兴国,陈海军,崔立秀,宋小辉,殷国富. 重庆理工大学学报(自然科学). 2020(03)
[4]基于改进人工势场的无人机预设航线避障研究[J]. 马娅婕,刘国庆,胡轶,张磊. 高技术通讯. 2020(01)
[5]多无人机协同编队飞行设计方法[J]. 韩本刚,毛师彬,马岩. 兵工自动化. 2019(12)
[6]基于多传感器融合的无人机精准自主飞行控制方法[J]. 王大帅,LIU Xiaoguang,李伟,张俊雄,袁挺,张春龙. 农业机械学报. 2019(12)
[7]煤矿井下微机电系统陀螺随机误差辨识[J]. 丛琳,王小龙,燕斌. 工矿自动化. 2019(10)
[8]一种利用RAC模型改进的DLT相机位姿估计方法[J]. 吴金铭,李郁峰,陈念年,巫玲. 西南科技大学学报. 2019(02)
[9]采用D-H参数法的Delta机器人扣眼缝制研究[J]. 王晓华,高盼,平丽华,柯莉红. 单片机与嵌入式系统应用. 2019(05)
[10]无人机排爆机械臂的设计与实现[J]. 高军,邬江. 科技传播. 2018(22)
硕士论文
[1]旋翼飞行机械臂的稳定性控制及轨迹规划[D]. 周玉康.南京信息工程大学 2019
[2]机器人目标位置姿态估计及抓取研究[D]. 刘钲.哈尔滨工程大学 2019
[3]四轴飞行器飞控系统的设计和研究[D]. 李强.南昌大学 2018
[4]基于视觉的机械臂运动控制与目标抓取系统设计[D]. 徐雪洁.长安大学 2018
[5]串联型飞行机械臂视觉伺服控制研究[D]. 全凤宇.哈尔滨工业大学 2018
[6]基于串级PID控制算法的四旋翼无人机控制系统设计与实现[D]. 乌仁别丽克.东华大学 2016
[7]四轴飞行器控制系统设计及其姿态解算和控制算法研究[D]. 何瑜.电子科技大学 2015
[8]机械臂轨迹规划研究[D]. 王艳君.山东科技大学 2011
本文编号：3331413
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
无人机的航拍摄影、送输货物、编队娱乐表演
南京信息工程大学硕士学位论文2图1-2沈阳自动化所旋翼无人机抓取系统1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状国内对旋翼无人机的研究晚于国外，对旋翼无人机抓取的很多研究还只是在理论层面，物理样机搭建和实验验证较少。我国研发实力较强的无人机公司是大疆，但是他主要是面向航拍产品研发，且其大部分飞控系统是闭源的。国内目前开源飞控的研发公司有匿名科创、正点原子、无名科创等，但这些无人机公司目前的产品主要针对于高校大学生的竞赛，大多是定点[9]，巡线，避障[10]和自主飞行[11]等功能的开发。因此国内无人机的发展主要依靠高校科研人员的理论研究和一些无人机公司的实践开发。哈尔滨工业大学的王帅等人在旋翼无人机上设计搭载了机械爪来清理特殊危险区域内的物品[12]。中国科学院沈阳自动化所的科研人员将机械臂的运动作为无人机的一种扰动，将无人机和机械臂作为一个整体进行了建模分析，提出了一种增益调整型PID控制解决外部环境力和力矩对系统的影响，并使用仿真验证了该控制算法的稳定性[13]。辛哲奎等人设计了一种机载云台摄像头，通过对云台摄像头的姿态控制，使得目标物保持在摄像头的图像中心[14]。宋大雷等人建立了旋翼飞行机械臂整体动力学模型，设计预测控制器来消除执行器的位姿误差[15]。倪立学等人提出识别出地面目标的一种新方法，可以快速识别目标，使得无人机能够自主着陆[16]。2013年哈尔滨工业大学的徐文福，孟得山等人在漂浮空间机器人上应用了机械臂，研究了漂浮空间机器人的抓取[17]。张广玉等人在一架六旋翼飞行机器上搭载了七自由度机械臂，旋翼无人机和机械臂分两个控制器控制，并通过实验验证了该方法的可行性[18]。
第一章绪论31.2.2国外研究现状国外对无人机的研究起步早，理论研究比较深入，物理样机设计搭建和实验相对成熟。GuenardN等人对于飞行器的控制，采用视觉伺服控制的方法[19]。BouabdallahS等人详细介绍了小型四旋翼无人机的两种控制方法，分别为PID控制和LQ控制方法[20]。LeeDB等人提出了输出反馈跟踪控制方法，对欠驱动的四旋翼无人机进行控制[21]。AltugE等人使用双目摄像头给旋翼无人机提供视觉信息，采用视觉反馈的方式来实现对无人机的控制[22]。Johnson等人利用单目视觉，研究了一种路径规划方法，该方法可让无人机在复杂地形进行飞行规划[23]。以上是许多研究人员对无人机控制方法的研究，只有具备了无人机的稳定控制条件，无人机上搭载机械臂才有可能。接下来研究人员设计搭载了各种结构新颖，功能丰富的机械臂。Doyle等人受鸟类的启发，将欠驱动夹持与机械产生的机械优势相结合设计了被动驱动的机械臂，实现了无人机可以像鸟一样栖息[24]。宾夕法尼亚大学的VijayKumar[25]等人设计搭载了一种微型装置，可以将飞机固定到墙壁上，实现了无人机在墙壁上的栖息。美国犹他州的VaibhavGhadiok等人利用摄像头进行辅助定位，通过视觉SLAM算法实现了自主导航定位和物体抓取[26]。如图1-3(a)所示，Energid机器人公司推出的六旋翼无人机搭载机械臂的物理样机。如图1-3(b)所示，2015年日本Prodrone公司在旋翼无人机上搭载了两只机械手，该系统可以让无人机在物体上“停憩”，且双机械臂抓取更稳，极大提升了旋翼无人机抓取系统的机动灵活性。(a)六旋翼搭载机械臂(b)双臂飞行机器人图1-3国外无人机机械臂研究现状LaiackerM等人在无人直升机上安装七自由度工业机械臂，对于感知模块和执行器
【参考文献】：
期刊论文
[1]室内无人机定点悬控系统[J]. 孟令康,秦海超,鲍丹阳. 机械制造与自动化. 2020(02)
[2]基于GPS位置信息的无人机自动测量弧垂系统研究与应用[J]. 陆布健,何琨才,莫品伟,谢义. 电工技术. 2020(06)
[3]三自由度机械臂增材制造装置及控制系统设计[J]. 韩兴国,陈海军,崔立秀,宋小辉,殷国富. 重庆理工大学学报(自然科学). 2020(03)
[4]基于改进人工势场的无人机预设航线避障研究[J]. 马娅婕,刘国庆,胡轶,张磊. 高技术通讯. 2020(01)
[5]多无人机协同编队飞行设计方法[J]. 韩本刚,毛师彬,马岩. 兵工自动化. 2019(12)
[6]基于多传感器融合的无人机精准自主飞行控制方法[J]. 王大帅,LIU Xiaoguang,李伟,张俊雄,袁挺,张春龙. 农业机械学报. 2019(12)
[7]煤矿井下微机电系统陀螺随机误差辨识[J]. 丛琳,王小龙,燕斌. 工矿自动化. 2019(10)
[8]一种利用RAC模型改进的DLT相机位姿估计方法[J]. 吴金铭,李郁峰,陈念年,巫玲. 西南科技大学学报. 2019(02)
[9]采用D-H参数法的Delta机器人扣眼缝制研究[J]. 王晓华,高盼,平丽华,柯莉红. 单片机与嵌入式系统应用. 2019(05)
[10]无人机排爆机械臂的设计与实现[J]. 高军,邬江. 科技传播. 2018(22)
硕士论文
[1]旋翼飞行机械臂的稳定性控制及轨迹规划[D]. 周玉康.南京信息工程大学 2019
[2]机器人目标位置姿态估计及抓取研究[D]. 刘钲.哈尔滨工程大学 2019
[3]四轴飞行器飞控系统的设计和研究[D]. 李强.南昌大学 2018
[4]基于视觉的机械臂运动控制与目标抓取系统设计[D]. 徐雪洁.长安大学 2018
[5]串联型飞行机械臂视觉伺服控制研究[D]. 全凤宇.哈尔滨工业大学 2018
[6]基于串级PID控制算法的四旋翼无人机控制系统设计与实现[D]. 乌仁别丽克.东华大学 2016
[7]四轴飞行器控制系统设计及其姿态解算和控制算法研究[D]. 何瑜.电子科技大学 2015
[8]机械臂轨迹规划研究[D]. 王艳君.山东科技大学 2011
本文编号：3331413
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