【摘要】：由于多旋翼無人機小巧、靈敏、高機動的特點,在越來越多的領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。近幾年,多旋翼無人機在航拍、電力巡檢、農(nóng)藥噴灑中的應(yīng)用已經(jīng)相當成熟,它們主要是利用攝像頭提供第一視角輔助監(jiān)控和探測人們無法到達的區(qū)域。基于現(xiàn)有的算法和技術(shù),越來越多的科研人員研究多旋翼無人機使其能夠主動與外界環(huán)境進行交互,如飛行機械臂抓取、多機協(xié)同搬運、人機交互等。飛行機械臂系統(tǒng)作為無人機應(yīng)用的新研究點,從機械臂設(shè)計、控制,到復(fù)雜模型的運動學(xué)、動力學(xué)建模、控制器設(shè)計都需要科研人員不斷探索。對于飛行機械臂抓取問題需要保證穩(wěn)定、可靠、實時性,傳統(tǒng)視覺伺服需要貼附人工標記物,而實際應(yīng)用中,受條件限制,無法提前貼好人工標記物,本文針對這些問題,展開對基于自然特征的飛行機械臂視覺伺服抓取研究。本文對六自由度機械臂進行運動學(xué)建模,推導(dǎo)出正逆運動學(xué)模型和微分運動學(xué)模型,為后續(xù)飛行機械臂的速度控制奠定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。針對機械臂裝配、測量誤差以及舵機初始角問題,本文提出基于遺傳算法的機械臂運動學(xué)參數(shù)標定方法,平均位置均方根誤差相比標定之前降低61.2%。視覺伺服系統(tǒng)的相機采用“眼在手”的安裝方式,以基于圖像的視覺伺服為基本框架。針對一般的平面目標物無法貼附人工標記物的情況下,本文提出基于自然特征的視覺伺服控制方案,采用ORB自然特征進行特征匹配和仿射變換,獲取點特征信息。針對ORB檢測算法中特征分布不均勻的問題,本文進行改進,采用高斯圖像金字塔引入特征尺度不變性,利用四叉樹結(jié)構(gòu)存儲特征點,最終特征點分布均勻、稀疏,有利于改善視覺伺服的效果。通過對飛行機械臂整體的微分運動學(xué)建模,本文提出多任務(wù)的聯(lián)合視覺伺服控制策略,當無人機距離目標物較遠時,通過速度分配矩陣將伺服的速度傳遞到無人機上并利用機械臂的自由度做俯仰角和偏航角伺服保證攝像頭始終能夠看到目標物;當機械臂進入工作空間,僅對機械臂進行視覺伺服任務(wù)。為了驗證本文方法的有效性,本文搭建基于機器人操作系統(tǒng)(ROS)的實驗平臺,能夠?qū)崿F(xiàn)飛行機械臂的自主抓取,并且不依賴于動力學(xué)模型。實驗數(shù)據(jù)驗證基于自然特征視覺伺服的可行性,該系統(tǒng)更加符合實際環(huán)境需求。
【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】：2019
【分類號】：V279;TP241

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