針對目前旋翼飛行機械臂軌跡規(guī)劃復(fù)雜度高、應(yīng)用性差,雙目攝像頭識別定位目標時視差計算非常耗費處理器資源等問題。本文采用單目攝像頭,在單目攝像頭視覺輔助定位的基礎(chǔ)上,利用B樣條軌跡規(guī)劃方法,實現(xiàn)了無人機運動軌跡的快速規(guī)劃。采用April Tag視覺定位算法,保證了單目攝像頭對目標物的快速識別定位,設(shè)計了基于位姿的視覺伺服控制器,實現(xiàn)了飛行機械臂的自主抓取。本文首先以STM32F103VET6為核心處理芯片設(shè)計了飛控系統(tǒng)板,使用Solid Works軟件設(shè)計了一款三自由度機械臂。旋翼無人機使用攝像頭進行輔助定位,結(jié)合設(shè)定的點,由三次B樣條函數(shù)擬合生成平滑的飛行軌跡。然后利用D-H參數(shù)法完成機械臂的建模,并對機械臂正逆運動學進行了求解與分析,通過笛卡爾空間直線插補和圓弧插補的方法對機械臂進行軌跡規(guī)劃。在分析了攝像頭模型,進行攝像頭標定,手眼標定和采用April Tag視覺定位算法進行物體位姿估計后,設(shè)計了眼在手外的基于位姿的視覺伺服控制器。最后完成旋翼無人機抓取系統(tǒng)的硬件平臺搭建,進行了自主抓取實驗,驗證了無人機的穩(wěn)定性和視覺伺服控制的可行性。 

【文章來源】：南京信息工程大學江蘇省

【文章頁數(shù)】：68 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

無人機的航拍攝影、送輸貨物、編隊娛樂表演

南京信息工程大學碩士學位論文2圖1-2沈陽自動化所旋翼無人機抓取系統(tǒng)1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對旋翼無人機的研究晚于國外，對旋翼無人機抓取的很多研究還只是在理論層面，物理樣機搭建和實驗驗證較少。我國研發(fā)實力較強的無人機公司是大疆，但是他主要是面向航拍產(chǎn)品研發(fā)，且其大部分飛控系統(tǒng)是閉源的。國內(nèi)目前開源飛控的研發(fā)公司有匿名科創(chuàng)、正點原子、無名科創(chuàng)等，但這些無人機公司目前的產(chǎn)品主要針對于高校大學生的競賽，大多是定點[9]，巡線，避障[10]和自主飛行[11]等功能的開發(fā)。因此國內(nèi)無人機的發(fā)展主要依靠高�？蒲腥藛T的理論研究和一些無人機公司的實踐開發(fā)。哈爾濱工業(yè)大學的王帥等人在旋翼無人機上設(shè)計搭載了機械爪來清理特殊危險區(qū)域內(nèi)的物品[12]。中國科學院沈陽自動化所的科研人員將機械臂的運動作為無人機的一種擾動，將無人機和機械臂作為一個整體進行了建模分析，提出了一種增益調(diào)整型PID控制解決外部環(huán)境力和力矩對系統(tǒng)的影響，并使用仿真驗證了該控制算法的穩(wěn)定性[13]。辛哲奎等人設(shè)計了一種機載云臺攝像頭，通過對云臺攝像頭的姿態(tài)控制，使得目標物保持在攝像頭的圖像中心[14]。宋大雷等人建立了旋翼飛行機械臂整體動力學模型，設(shè)計預(yù)測控制器來消除執(zhí)行器的位姿誤差[15]。倪立學等人提出識別出地面目標的一種新方法，可以快速識別目標，使得無人機能夠自主著陸[16]。2013年哈爾濱工業(yè)大學的徐文福，孟得山等人在漂浮空間機器人上應(yīng)用了機械臂，研究了漂浮空間機器人的抓取[17]。張廣玉等人在一架六旋翼飛行機器上搭載了七自由度機械臂，旋翼無人機和機械臂分兩個控制器控制，并通過實驗驗證了該方法的可行性[18]。

第一章緒論31.2.2國外研究現(xiàn)狀國外對無人機的研究起步早，理論研究比較深入，物理樣機設(shè)計搭建和實驗相對成熟。GuenardN等人對于飛行器的控制，采用視覺伺服控制的方法[19]。BouabdallahS等人詳細介紹了小型四旋翼無人機的兩種控制方法，分別為PID控制和LQ控制方法[20]。LeeDB等人提出了輸出反饋跟蹤控制方法，對欠驅(qū)動的四旋翼無人機進行控制[21]。AltugE等人使用雙目攝像頭給旋翼無人機提供視覺信息，采用視覺反饋的方式來實現(xiàn)對無人機的控制[22]。Johnson等人利用單目視覺，研究了一種路徑規(guī)劃方法，該方法可讓無人機在復(fù)雜地形進行飛行規(guī)劃[23]。以上是許多研究人員對無人機控制方法的研究，只有具備了無人機的穩(wěn)定控制條件，無人機上搭載機械臂才有可能。接下來研究人員設(shè)計搭載了各種結(jié)構(gòu)新穎，功能豐富的機械臂。Doyle等人受鳥類的啟發(fā)，將欠驅(qū)動夾持與機械產(chǎn)生的機械優(yōu)勢相結(jié)合設(shè)計了被動驅(qū)動的機械臂，實現(xiàn)了無人機可以像鳥一樣棲息[24]。賓夕法尼亞大學的VijayKumar[25]等人設(shè)計搭載了一種微型裝置，可以將飛機固定到墻壁上，實現(xiàn)了無人機在墻壁上的棲息。美國猶他州的VaibhavGhadiok等人利用攝像頭進行輔助定位，通過視覺SLAM算法實現(xiàn)了自主導航定位和物體抓取[26]。如圖1-3(a)所示，Energid機器人公司推出的六旋翼無人機搭載機械臂的物理樣機。如圖1-3(b)所示，2015年日本Prodrone公司在旋翼無人機上搭載了兩只機械手，該系統(tǒng)可以讓無人機在物體上“停憩”，且雙機械臂抓取更穩(wěn)，極大提升了旋翼無人機抓取系統(tǒng)的機動靈活性。(a)六旋翼搭載機械臂(b)雙臂飛行機器人圖1-3國外無人機機械臂研究現(xiàn)狀LaiackerM等人在無人直升機上安裝七自由度工業(yè)機械臂，對于感知模塊和執(zhí)行器

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
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[5]串聯(lián)型飛行機械臂視覺伺服控制研究[D]. 全鳳宇.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[6]基于串級PID控制算法的四旋翼無人機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 烏仁別麗克.東華大學 2016
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本文編號：3331413