【摘要】：無人飛行器相比于地面機(jī)器人具有更加廣闊的活動區(qū)域、更加快速的機(jī)動性和更加敏捷的反應(yīng)力,對于時(shí)間要求短,任務(wù)響應(yīng)快速的應(yīng)用場景,無人飛行器將具有前景廣闊的應(yīng)用價(jià)值。近幾年,多旋翼無人機(jī)由于其控制簡單,運(yùn)動靈活的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空拍攝領(lǐng)域,其主要職責(zé)是輔助人們監(jiān)控與勘察人們很難到達(dá)的區(qū)域。但是,僅僅通過在多旋翼無人機(jī)上安裝攝像頭進(jìn)行航拍,缺乏對環(huán)境的主動操作,大大限制了其應(yīng)用的價(jià)值,無法充分發(fā)揮多旋翼無人機(jī)的優(yōu)勢與特點(diǎn)。為了提高多旋翼飛行器與環(huán)境的主動交互能力,本文通過在飛行器下方搭載多自由度串聯(lián)型機(jī)械臂的方法,利用機(jī)載視覺系統(tǒng)感知環(huán)境物體,并控制機(jī)械臂與環(huán)境產(chǎn)生交互作用。首先,本文設(shè)計(jì)了六自由度串聯(lián)型機(jī)械臂并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)建模,得到了正逆運(yùn)動學(xué)與微分運(yùn)動學(xué)模型,該模型為后續(xù)飛行機(jī)械臂的控制提供理論基礎(chǔ)。其次,為了提高機(jī)械臂對環(huán)境操作的準(zhǔn)確率與可靠性,本文提出了基于視覺伺服的飛行機(jī)械臂運(yùn)動控制方法。通過比較基于位姿和基于圖像兩種基本視覺伺服方案的優(yōu)缺點(diǎn),本文使用了一種基于位姿的二維增廣混合視覺伺服控制方案,該方案能夠在基于位姿的視覺伺服控制方案下,利用二維圖像誤差提供額外的調(diào)節(jié),保證視覺伺服目標(biāo)始終保持在視野范圍內(nèi),克服了單純使用基于位姿的視覺伺服方案目標(biāo)容易丟失的缺點(diǎn)。再者,由于在飛行過程中機(jī)械臂的運(yùn)動與飛行器的運(yùn)動存在耦合關(guān)系,因此為了權(quán)衡飛行器本體與機(jī)械臂兩者之間的運(yùn)動,本文在飛行機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)建模的基礎(chǔ)上提出了一種運(yùn)動分配律,使得飛行機(jī)械臂系統(tǒng)遠(yuǎn)離目標(biāo)物體時(shí),飛行器的運(yùn)動起主導(dǎo)作用;當(dāng)靠近目標(biāo)物體時(shí),機(jī)械臂的運(yùn)動起到主導(dǎo)作用。最后,考慮到機(jī)械臂運(yùn)動中的可能出現(xiàn)奇點(diǎn)問題,本文提出基于奇異值分解的可變阻尼因子最小二乘方法,來減小退化關(guān)節(jié)的運(yùn)動,使得機(jī)械臂的運(yùn)動順滑。為了驗(yàn)證所提方法的有效性,本文搭建了基于機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)的硬件實(shí)驗(yàn)平臺,在該平臺上進(jìn)行了飛行機(jī)械臂系統(tǒng)的抓取操作實(shí)驗(yàn),并對實(shí)驗(yàn)室結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析。從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠看出,本文所提出的視覺伺服方法,可以很好地克服機(jī)械臂的運(yùn)動對飛行器本體產(chǎn)生的影響,從而保證了抓取的成功率。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V279
【圖文】：

研究背景及意義系統(tǒng)由于其特殊性特別適用于在人們無法到達(dá)的遠(yuǎn)距離或危知甚至是與環(huán)境發(fā)生交互和接觸。隨著近幾年無人飛行器尤的快速發(fā)展，機(jī)器人的運(yùn)用由地面擴(kuò)展到了空中。無人飛行人具有更加快速的機(jī)動性和更加敏捷的反應(yīng)力，因此適用于，需要做出快速反應(yīng)的任務(wù)當(dāng)中。相比于固定翼飛行器，旋懸停操作方面有著天然的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，因此，國內(nèi)外對于旋翼應(yīng)用在近幾年中井噴式地增長。，多旋翼無人機(jī)更多的是與各類攝像頭相結(jié)合應(yīng)用于航空拍攝對環(huán)境甚至是災(zāi)難現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控與勘察。例如在電力巡線領(lǐng)攝像頭的多旋翼無人機(jī)對山區(qū)或者峽谷等人們很難到達(dá)的地拍攝，如圖 1-1 所示。這樣操作人員就可以在很遠(yuǎn)的地方通頻圖像對這些線路進(jìn)行檢查與診斷，這樣大大提高了電力巡響應(yīng)的成本和風(fēng)險(xiǎn)[1]。

圖 1-2 搭載機(jī)械臂的多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)究現(xiàn)狀機(jī)構(gòu)或企業(yè)在無人機(jī)上安裝很簡單的機(jī)械手，用于危大學(xué)王帥[4]和西安航空學(xué)院張康智[5]等，但并不涉及無人機(jī)理論研究較為深入的有中科院沈陽自動化所京航空航天大學(xué)等。沈陽自動化研究所宋大雷和天無人直升機(jī)-機(jī)械臂的動力學(xué)模型，使用模型預(yù)測控置和姿態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)懸停的機(jī)械臂操作。沈陽自動性參數(shù)模型描述了機(jī)械臂與飛行器之間的運(yùn)動耦合計(jì)了帶前饋補(bǔ)償 H 控制器，與傳統(tǒng)的線性 控制，同樣是沈陽自動化所的孟祥東等人在六旋翼飛行械臂，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)抓取操作[8]。浙江大學(xué)李偉榮等載系統(tǒng)的線性化模型，設(shè)計(jì) PID 串級控制器，實(shí)現(xiàn) Dai 與喬治華盛頓大學(xué) T.Lee 針對繩掛系統(tǒng)負(fù)載未知

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 李偉榮;方舟;李誠龍;;帶懸掛負(fù)載的八旋翼無人機(jī)建模與控制[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用;2015年S2期

2 張康智;楊武成;楊北辰;王振;呂雷波;李敏;胡申;;可拆爆四旋翼無人直升機(jī)的設(shè)計(jì)研究[J];航空制造技術(shù);2015年16期

3 宋大雷;孟祥冬;齊俊桐;韓建達(dá);;3自由度旋翼飛行機(jī)械臂系統(tǒng)動力學(xué)建模與預(yù)測控制方法[J];機(jī)器人;2015年02期

4 徐文福;孟得山;徐超;梁斌;;自由漂浮空間機(jī)器人捕獲目標(biāo)的協(xié)調(diào)控制[J];機(jī)器人;2013年05期

5 王帥;周洋;;用于危險(xiǎn)區(qū)域物品清理的四旋翼飛行抓捕手[J];兵工自動化;2011年03期

本文編號：2742134