【摘要】：無人飛行器相比于地面機器人具有更加廣闊的活動區(qū)域、更加快速的機動性和更加敏捷的反應(yīng)力,對于時間要求短,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)用價值。近幾年,多旋翼無人機由于其控制簡單,運動靈活的特點,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的區(qū)域。但是,僅僅通過在多旋翼無人機上安裝攝像頭進行航拍,缺乏對環(huán)境的主動操作,大大限制了其應(yīng)用的價值,無法充分發(fā)揮多旋翼無人機的優(yōu)勢與特點。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)型機械臂的方法,利用機載視覺系統(tǒng)感知環(huán)境物體,并控制機械臂與環(huán)境產(chǎn)生交互作用。首先,本文設(shè)計了六自由度串聯(lián)型機械臂并進行運動學(xué)建模,得到了正逆運動學(xué)與微分運動學(xué)模型,該模型為后續(xù)飛行機械臂的控制提供理論基礎(chǔ)。其次,為了提高機械臂對環(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械臂運動控制方法。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,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。再者,由于在飛行過程中機械臂的運動與飛行器的運動存在耦合關(guān)系,因此為了權(quán)衡飛行器本體與機械臂兩者之間的運動,本文在飛行機械臂運動學(xué)建模的基礎(chǔ)上提出了一種運動分配律,使得飛行機械臂系統(tǒng)遠離目標(biāo)物體時,飛行器的運動起主導(dǎo)作用;當(dāng)靠近目標(biāo)物體時,機械臂的運動起到主導(dǎo)作用。最后,考慮到機械臂運動中的可能出現(xiàn)奇點問題,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)的運動,使得機械臂的運動順滑。為了驗證所提方法的有效性,本文搭建了基于機器人操作系統(tǒng)(ROS)的硬件實驗平臺,在該平臺上進行了飛行機械臂系統(tǒng)的抓取操作實驗,并對實驗室結(jié)果進行了詳細的分析。從該實驗結(jié)果能夠看出,本文所提出的視覺伺服方法,可以很好地克服機械臂的運動對飛行器本體產(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的遠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，機器人的運用由地面擴展到了空中。無人飛行人具有更加快速的機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對山區(qū)或者峽谷等人們很難到達的地拍攝，如圖 1-1 所示。這樣操作人員就可以在很遠的地方通頻圖像對這些線路進行檢查與診斷，這樣大大提高了電力巡響應(yīng)的成本和風(fēng)險[1]。

圖 1-2 搭載機械臂的多旋翼無人機系統(tǒng)究現(xiàn)狀機構(gòu)或企業(yè)在無人機上安裝很簡單的機械手，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-機械臂的動力學(xué)模型，使用模型預(yù)測控置和姿態(tài)誤差，實現(xiàn)懸停的機械臂操作。沈陽自動性參數(shù)模型描述了機械臂與飛行器之間的運動耦合計了帶前饋補償 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 PID 串級控制器，實現(xiàn) Dai 與喬治華盛頓大學(xué) T.Lee 針對繩掛系統(tǒng)負載未知

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 李偉榮;方舟;李誠龍;;帶懸掛負載的八旋翼無人機建模與控制[J];計算機應(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的設(shè)計研究[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;;3自由度旋翼飛行機械臂系統(tǒng)動力學(xué)建模與預(yù)測控制方法[J];機器人;2015年02期

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

5 王帥;周洋;;用于危險區(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