發(fā)布時(shí)間：2018-04-24 00:38

  本文選題：無(wú)人機(jī)抓取 + 軌跡規(guī)劃與跟蹤��； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：最近幾年,隨著旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)的成熟,無(wú)人機(jī)憑借其操作簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)靈活和穩(wěn)定可靠的特性在很多領(lǐng)域大展身手,在農(nóng)業(yè)、軍事、氣象、災(zāi)難救援等方面獲得了很多的成功運(yùn)用。但是,目前旋翼無(wú)人機(jī)的運(yùn)用大多數(shù)是通過(guò)航拍這種方式來(lái)進(jìn)行環(huán)境的監(jiān)控,而不能和外部環(huán)境進(jìn)行有效的互動(dòng)。如果在多旋翼無(wú)人機(jī)上安裝靈活的機(jī)械臂,那么無(wú)人機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)外部環(huán)境物體的抓取和運(yùn)輸�，F(xiàn)有的無(wú)人機(jī)抓取研究需要借助昂貴、覆蓋范圍有限的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)等外部設(shè)備實(shí)時(shí)獲得無(wú)人機(jī)和目標(biāo)抓取物的位置信息,或者只是基于視覺(jué)實(shí)現(xiàn)緩慢的飛行抓取,抓取過(guò)程冗長(zhǎng),也不適合大范圍應(yīng)用。因此,本課題的主要研究任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)無(wú)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)高速自主物體抓取。本課題在一個(gè)旋翼無(wú)人機(jī)上搭載了一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的攝像頭和一個(gè)輕質(zhì)的機(jī)械臂。通過(guò)歐拉-拉格朗日方程,在笛卡爾空間對(duì)無(wú)人機(jī)-多自由度機(jī)械臂復(fù)合系統(tǒng)建立完整的三維動(dòng)力學(xué)模型。不失一般性,本文將動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化至x-z平面,機(jī)械臂簡(jiǎn)化至單自由度,通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)-相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行幾何分析,在x-z平面建立了目標(biāo)圖像位置和無(wú)人機(jī)空間位置的映射關(guān)系。針對(duì)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)與目標(biāo)在圖像中的位置耦合問(wèn)題,本文將圖像投影至標(biāo)定過(guò)的虛擬水平圖像上來(lái)解耦無(wú)人機(jī)及相機(jī)姿態(tài),然后將x-z平面的動(dòng)力學(xué)模型映射到圖像空間,并證明圖像空間系統(tǒng)的微分平滑性�；趫D像空間映射模型,本文分別提出了使用最小化Snap和迭代線性二次調(diào)節(jié)器(i LQR)兩種方法的圖像空間軌跡規(guī)劃器,它們都能夠?qū)w行過(guò)程中的各種耦合約束條件轉(zhuǎn)化成最優(yōu)化問(wèn)題。為了跟蹤軌跡,本文設(shè)計(jì)了視覺(jué)伺服控制器,反饋誤差是目標(biāo)在圖像的像素誤差,設(shè)計(jì)內(nèi)外環(huán)PID控制器實(shí)現(xiàn)跟蹤。為驗(yàn)證所提出的算法,本文對(duì)基于Gazebo的ROS無(wú)人機(jī)仿真系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展,建立了無(wú)人機(jī)-機(jī)械臂系統(tǒng)仿真平臺(tái),利用該平臺(tái)驗(yàn)證了模型、軌跡規(guī)劃器及跟蹤控制器的有效性及魯棒性。本論文是對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)械臂抓取這一新方向的探索與研究,實(shí)現(xiàn)了基于視覺(jué)伺服的無(wú)人機(jī)抓取軌跡規(guī)劃和跟蹤控制,對(duì)于該方向的其他研究人員是重要的參考,對(duì)于我國(guó)無(wú)人機(jī)運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用研究有較大意義。
[Abstract]:In recent years, with the maturation of the rotor unmanned aerial vehicle technology, the UAV has achieved many successful applications in many fields because of its simple operation, flexible movement and stable and reliable characteristics. However, most of the use of unmanned aerial vehicles (UAV) is by aerial photography. Environmental monitoring can not interact effectively with the external environment. If a flexible manipulator is installed on a multi rotor UAV, the unmanned aerial vehicle can be captured and transported to the external environment. The existing UAV grabbing research needs to be expensive, covering the limited motion capture system and other external equipment in real time. Obtaining the location information of the unmanned aerial vehicle and the target grabbing, or only the slow flight grasping based on the visual realization, the grasping process is long and not suitable for large scale applications. Therefore, the main research task of this topic is to realize the high speed self master body of the unmanned aerial vehicle without the motion capture system. A revolving camera and a light mechanical arm. Through the Euler Lagrange equation, a complete three-dimensional dynamic model of the UAV multi degree of freedom mechanical arm composite system is established in Cartesian space. Without losing the general nature, this paper simplifies the dynamic model to the x-z plane, the manipulator is simplified to the single degree of freedom, and through the unmanned aerial vehicle (UAV) Based on the geometric analysis of the camera system, the mapping relationship between the target image position and the unmanned aerial vehicle (UAV) position is established in the x-z plane. In this paper, the image is projected to the calibrated virtual horizontal image to decouple the UAV and the camera attitude, and then the dynamics of the x-z plane is then carried out. The model is mapped to the image space and proves the differential smoothness of the image space system. Based on the image space mapping model, the image space trajectory planners using the two methods of minimizing Snap and iterative linear two order regulator (I LQR) are respectively proposed. All of them can transform the various coupling constraints in the flight process to the most. In order to track the trajectory, this paper designs a visual servo controller. The feedback error is the pixel error of the target in the image, and the internal and external loop PID controller is designed to realize the tracking. In order to verify the proposed algorithm, this paper extends the ROS simulation system based on the Gazebo, and establishes the simulation platform of the UAV mechanical arm system. The platform validates the validity and robustness of the model, the trajectory planner and the tracking controller. This paper is the exploration and study of the new direction of the unmanned aerial vehicle (UAV) manipulator, which has realized the trajectory planning and tracking control of the unmanned aerial vehicle based on the visual servo. It is an important reference for other researchers in this direction, and it is not available to our country. The application of man-machine transportation is of great significance.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP391.41;TP241

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本文編號(hào)：1794386