CN107598970A - 一种携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的设计方法，包含步骤：1）搭建携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的硬件平台；2）根据步骤1）中搭建的硬件通信平台，制定好下位机和地面站之间的通信协议；3）根据步骤2）中的通信协议，编写地面站PC端上位机软件；4）根据步骤3）中的上位机软件，机械臂运动规划部分通过Labview调用MATLAB机械臂运动规划控件完成机械臂运动控制。本发明有力保障了通信的稳定、高效；开发了功能强大的地面站上位机软件。能够设计出满足研究飞行机器人需求的稳定、高效的通信***，有力保障飞行机器人的稳定运行，增强其研究过程、使用过程的安全性，并提高开发效率。

Description

一种携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的设计方法

技术领域

本发明专利属于飞行机器人通信***的设计方法，特别是涉及一种携带冗余度机械臂的多旋翼飞行机器人的通信***的设计方法。

背景技术

伴随着智能机器人领域的发展，飞行机器人受到了越来越多人的关注，特别是装载冗余度机械臂的多旋翼飞行机器人，更在智能机器人领域备受瞩目。该飞行机器人主要由多旋翼飞行器和冗余度机械臂两部分组成。其中，多旋翼飞行器因具有垂直起降、稳定悬停、无线传输、远程航拍和自主巡航能力，在军事及民事领域具有广阔的应用前景。小型旋翼式无人机由于具有优异的机动性能、简单的机械结构、方便部署与维护简单等特点，被广泛应用于航拍摄影、电力巡检、环境监测、森林防火，灾情巡查、防恐救生、军事侦察及战场评估等领域。装载冗余度机械臂的多旋翼飞行机器人，能够充分的发挥多旋翼飞行器结构简单，易于操控，飞行稳定灵活、活动范围广的特点，同时由于具有冗余度机械臂而具备执行复杂任务、躲避关节极限、躲避奇异点的能力，并且具有一定的容错特性。该装载冗余度机械臂的飞行机器人适用于解决各类高空作业，能够取代“蜘蛛人”完成各项危险任务，如能够应用于电线杆以及信号塔的检查和维护,建筑外墙的粉刷以及大厦的玻璃外墙清洁，高空垃圾清理工作等，能够显著降低高空作业伤亡率，研究价值高。为了满足深入研究飞行机器人的需求，特别是装载冗余度机械臂的多旋翼飞行机器人的研究需求，方便监测其运行状况，高效调试，提出了一种携带冗余度机械臂的多旋翼飞行机器人通信***的设计方法。通过该方法，能够设计出满足研究飞行机器人需求的稳定、高效的通信***，有力保障飞行机器人的稳定运行，增强其研究过程、使用过程的安全性，并提高开发效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的设计方法。

为了实现上述实用设计方法，采用的技术方案包含以下步骤：

一种携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的设计方法，包含以下步骤：

1)搭建携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的硬件平台，包括搭建一台携带冗余度机械臂的飞行机器人作为下位机，并配置无线串口通信模块和无线图传模块，将无线串口通信模块和无线图传模块挂载在下位机和地面站PC电脑端；

2)根据步骤1)中搭建的硬件通信平台，制定好下位机和地面站之间的通信协议，包括制定完整的数据帧格式，无线串口通信模块使用全双工串行通信方式；

3)根据步骤2)中的通信协议，编写地面站PC端上位机软件，使用Labview与MATLAB混合编程，主要功能包括串口配置，飞行机器人参数调试、实时状态显示，机械臂运动规划、显示和控制，摄像头图像显示；

4)根据步骤3)中的上位机软件，机械臂运动规划部分通过Labview调用MATLAB机械臂运动规划控件，通过二次规划求解完成任务所需冗余度机械臂的关节角，利用MATLAB将求解出的关节角反馈上位机程序，并通过无线通信发送命令给下位机端，完成机械臂运动控制。

进一步地，所述携带冗余度机械臂的飞行机器人由多旋翼飞行器以及轻量型冗余度机械臂组成；其中多旋翼飞行器由电机、机架、控制电路、无线通信模块、摄像头模块以及无线图传模块组成，冗余度机械臂由舵机、末端执行器以及相应的机械部件构成。

进一步地，所述无线通信模块使用无线串口通信，能够实现地面站和下位机之间的点对点透明传输，使用全双工串行传输方式，传输距离远，抗干扰能力强。

进一步地，所述无线图传模块使用WLAN技术传输图像，传输速率快，能够实现较远距离流畅传输高清晰度数字图像。

进一步地，所述的通信协议采用如下的数据帧格式：

帧头，标志一帧数据的开始；

命令标志，表明此帧数据的功能；

数据，需要修改或者显示的数据；

校验和，用于判断是否传输错误，剔除错误数据帧；

帧尾，标志一帧数据的结束；

该数据帧格式中的数据部分可以根据需要采用整型或浮点型等数据类型。

进一步地，所述上位机软件使用Labview和MATLAB混合编程，并采用所述通信协议与下位机进行通信；其中，使用Labview编写人机交互界面，主要功能包括串口配置，飞行机器人参数调试、实时状态显示；使用MATLAB编写机械臂运动规划相关的函数，通过Labview调用MATLAB服务实现机械臂运动规划、显示和控制。

进一步地，所述上位机软件的人机交互界面具有如下的5个板块：

串口配置板块，包括串口选择，波特率设置；

飞行机器人参数调试板块，包括飞行器参数调试板块和机械臂参数调试板块；飞行器参数调试板块分为姿态环、位置环和高度环三部分；其中，姿态环包含双闭环PID参数调整、参数初始化设置功能，高度环包含双闭环PID参数调整、参数初始化设置、目标参数设置功能，位置环包含参数初始化设置、目标参数设置功能；机械臂参数调试板块具有单独控制各关节打角量功能；

飞行机器人实时状态显示板块，显示内容包括接收机PWM输入捕获值、主控制芯片PWM输出量、飞行姿态、飞行高度、GPS经纬度、各闭环PID输入量、输出量、机械臂各关节打角量、末端执行器坐标；

机械臂运动规划控制板块，包括目标坐标输入控制、机械臂末端轨迹控制、自动夹取控制功能；

摄像头图像显示板块，实时显示飞行机器人摄像头拍摄到的图像。

进一步地，所述机械臂运动规划控制板块通过labview混合编程调用MATLAB冗余度机械臂规划程序完成冗余度机械臂任务规划，返回机械臂执行任务关节角；冗余度机械臂控制算法通过机械臂运动规划方案和二次规划算法实现；冗余度机械臂的运动规划方案通过冗余度机械臂逆运动学实现，其中逆运动学方程可以描述为：

f(θ)＝r

其中r是机械臂末端的期望轨迹，f(·)为冗余度机械臂关节角度到末端轨迹的非线性映射方程；对方程两边同时求导可以得到冗余度机械臂在速度层上的逆运动学方程

其中，J(θ)∈R^m×n为实数域上的m×n维矩阵，J(θ)为冗余度机械臂的雅克比矩阵，n表示机械臂的自由度数，m表示机械臂末端轨迹的空间维数，和分别为冗余度机械臂关节角度和末端轨迹关于时间的导数；根据不同的设计目的和指标要求，将上述的逆运动学问题转换为受约束的时变凸二次规划问题，具体公式为：

s.t.Ax＝b

Cx≤d

其中Ax＝b为相应完成任务所需的等式约束，Cx≤d为不等式约束，与为对应关节角的双端不等式约束；根据二次规划的算法，可以设计神经网络求解相应的二次型最优解；根据求解出的二次型最优解作为机械臂的关节角状态，通过混合编程调用将最优关节角角度反馈回上位机软件，并通过相应的传输协议传输到下位机飞行机器人，控制飞行机器人完成相应的控制任务。

本发明的地面站根据通信协议发送命令给下位机，下位机解析后，将改变其运动状态，或者修改特定参数；同时下位机持续发送数据给地面站，地面站根据通信协议对数据帧进行解析，将有效数据显示到PC端屏幕上，方便监测、分析下位机运行状况，使调试更高效。同时，下位机通过无线图传模块将摄像头采集到的图像发送到地面站PC端，地面站对接收到的图像数据进行解析、处理，在PC端屏幕上显示图像，辅助下位机完成特定动作。

相比现有技术：本发明公开的携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的设计方法，具有科学的通信协议，有力保障了通信的稳定、高效；开发了功能强大的地面站上位机软件。通过该方法，能够设计出满足研究飞行机器人需求的稳定、高效的通信***，有力保障飞行机器人的稳定运行，增强其研究过程、使用过程的安全性，并提高开发效率。

附图说明

图1为本发明实施例的装载冗余度机械臂的多旋翼飞行机器人模型；

图2为本发明实施例的通信协议示意图；

图3为本发明实施例的通信流程图；

图4为本发明实施例的地面站上位机软件界面；

图5为本发明实施例的流程示意图；

图中所示为：1-电机；2-机架；3-控制装置；4-摄像装置；5-舵机；6-末端执行器；7-机械部件；8-串口配置板块；9-飞行机器人参数调试板块；10-飞行机器人实时状态显示板块；11-机械臂运动规划控制板块；12-摄像头图像显示板块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明专利作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

一种携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的设计方法，包含以下步骤：

1)搭建携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的硬件平台，包括搭建一台携带冗余度机械臂的飞行机器人作为下位机，并配置无线串口通信模块和无线图传模块，将无线串口通信模块和无线图传模块挂载在下位机和地面站PC电脑端；

2)根据步骤1)中搭建的硬件通信平台，制定好下位机和地面站之间的通信协议，包括制定完整的数据帧格式，无线串口通信模块使用全双工串行通信方式；

3)根据步骤2)中的通信协议，编写地面站PC端上位机软件，使用Labview与MATLAB混合编程，主要功能包括串口配置，飞行机器人参数调试、实时状态显示，机械臂运动规划、显示和控制，摄像头图像显示；

4)根据步骤3)中的上位机软件，机械臂运动规划部分通过Labview调用MATLAB机械臂运动规划控件，通过二次规划求解完成任务所需冗余度机械臂的关节角，利用MATLAB将求解出的关节角反馈上位机程序，并通过无线通信发送命令给下位机端，完成机械臂运动控制。

图1为装载冗余度机械臂的多旋翼飞行机器人，主要由多旋翼飞行器以及冗余度机械臂组成。其中多旋翼飞行器由电机1，机架2，控制电路3以及摄像头模块4组成，控制电路3中包含无线通信模块、无线图传模块；冗余度机械臂部分由舵机5，末端执行器6以及相应的机械结构部件7组成。

所述无线通信模块使用无线串口通信，能够实现地面站和下位机之间的点对点透明传输，使用全双工串行传输方式，传输距离远，抗干扰能力强。

所述无线图传模块使用WLAN技术传输图像，传输速率快，能够实现较远距离流畅传输高清晰度数字图像。

图2是通信协议示意图，采用的数据帧格式分为以下5部分：

帧头，标志一帧数据的开始；

命令标志，表明此帧数据的功能；

数据，需要修改或者显示的数据；

校验和，用于判断是否传输错误，剔除错误数据帧；

帧尾，标志一帧数据的结束。

图3是通信流程图。地面站根据通信协议发送命令给下位机，下位机解析后，将改变其运动状态，或者修改特定参数；同时下位机持续发送数据给地面站，地面站根据通信协议对数据帧进行解析，将有效数据显示到PC端屏幕上，方便监测、分析下位机运行状况，使调试更高效。同时，下位机通过无线图传模块将摄像头采集到的图像发送到地面站PC端，地面站对接收到的图像数据进行解析、处理，在PC端屏幕上显示图像，辅助下位机完成特定动作。

图4为地面站上位机软件界面，具有如下的5个板块：

1)串口配置板块8，包括串口选择，波特率设置等；

2)飞行机器人参数调试板块9，包括飞行器参数调试板块和机械臂参数调试板块；飞行器参数调试板块分为姿态环、位置环和高度环三部分；其中，姿态环包含双闭环PID参数调整、参数初始化设置等功能，高度环包含双闭环PID参数调整、参数初始化设置、目标参数设置等功能，位置环包含参数初始化设置、目标参数设置等功能；机械臂参数调试板块具有单独控制各关节打角量等功能；

3)飞行机器人实时状态显示板块10，显示内容包括接收机PWM输入捕获值，主控制芯片PWM输出量，飞行姿态，飞行高度，GPS经纬度，各闭环PID输入量、输出量，机械臂各关节打角量、末端执行器坐标等；

4)机械臂运动规划控制板块11，包括目标坐标输入控制，机械臂末端轨迹控制，自动夹取控制等功能。

5)摄像头图像显示板块12，实时显示飞行机器人摄像头拍摄到的图像。

具体而言，所述机械臂运动规划控制板块通过labview混合编程调用MATLAB冗余度机械臂规划程序完成冗余度机械臂任务规划，返回机械臂执行任务关节角；冗余度机械臂控制算法通过机械臂运动规划方案和二次规划算法实现；冗余度机械臂的运动规划方案通过冗余度机械臂逆运动学实现，其中逆运动学方程可以描述为：

f(θ)＝r

其中r是机械臂末端的期望轨迹，f(·)为冗余度机械臂关节角度到末端轨迹的非线性映射方程；对方程两边同时求导可以得到冗余度机械臂在速度层上的逆运动学方程

其中，J(θ)∈R^m×n为实数域上的m×n维矩阵，J(θ)为冗余度机械臂的雅克比矩阵，n表示机械臂的自由度数，m表示机械臂末端轨迹的空间维数，和分别为冗余度机械臂关节角度和末端轨迹关于时间的导数；根据不同的设计目的和指标要求，将上述的逆运动学问题转换为受约束的时变凸二次规划问题，具体公式为：

s.t.Ax＝b

Cx≤d

其中Ax＝b为相应完成任务所需的等式约束，Cx≤d为不等式约束，与为对应关节角的双端不等式约束；根据二次规划的算法，可以设计神经网络求解相应的二次型最优解；根据求解出的二次型最优解作为机械臂的关节角状态，通过混合编程调用将最优关节角角度反馈回上位机软件，并通过相应的传输协议传输到下位机飞行机器人，控制飞行机器人完成相应的控制任务。

图5为本发明专利的整体设计思路。搭建飞行机器人通信***的硬件平台，包括搭建如图1所示的飞行机器人的机构模型，通过机械固定方式将冗余度机械臂对称固定在旋翼飞行器的机体中心，摄像头以及云台部件放置在飞行器的前部；配置无线串口通信模块和无线图传模块，将无线串口通信模块和无线图传模块挂载在下位机和地面站PC电脑端，完成硬件平台的搭建。设计如图2所示的通信协议，根据实际需求，设计如图4所示的地面站上位机，具有串口配置，飞行机器人参数调试、实时状态显示，机械臂运动规划、显示和控制，摄像头图像显示的功能。如图3所示，具体通信流程为：地面站根据通信协议发送命令给下位机，下位机解析后，将改变其运动状态，或者修改特定参数；同时下位机持续发送数据给地面站，地面站根据通信协议对数据帧进行解析，将有效数据显示到PC端屏幕上，方便监测、分析下位机运行状况，使调试更高效。同时，下位机通过无线图传模块将摄像头采集到的图像发送到地面站PC端，地面站对接收到的图像数据进行解析、处理，在PC端屏幕上显示图像，辅助下位机完成特定动作。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的设计方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)搭建携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的硬件平台，包括搭建一台携带冗余度机械臂的飞行机器人作为下位机，并配置无线串口通信模块和无线图传模块，将无线串口通信模块和无线图传模块挂载在下位机和地面站PC电脑端；

2)根据步骤1)中搭建的硬件通信平台，制定好下位机和地面站之间的通信协议，包括制定完整的数据帧格式，无线串口通信模块使用全双工串行通信方式；

3)根据步骤2)中的通信协议，编写地面站PC端上位机软件，使用Labview与MATLAB混合编程，主要功能包括串口配置，飞行机器人参数调试、实时状态显示，机械臂运动规划、显示和控制，摄像头图像显示；

4)根据步骤3)中的上位机软件，机械臂运动规划部分通过Labview调用MATLAB机械臂运动规划控件，通过二次规划求解完成任务所需冗余度机械臂的关节角，利用MATLAB将求解出的关节角反馈上位机程序，并通过无线通信发送命令给下位机端，完成机械臂运动控制。

2.根据权利要求1中所述的携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的设计方法，其特征在于，所述携带冗余度机械臂的飞行机器人由多旋翼飞行器以及轻量型冗余度机械臂组成；其中多旋翼飞行器由电机、机架、控制电路、无线通信模块、摄像头模块以及无线图传模块组成，冗余度机械臂由舵机、末端执行器以及相应的机械部件构成。

3.根据权利要求2所述的携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的设计方法，其特征在于，所述无线通信模块使用无线串口通信，能够实现地面站和下位机之间的点对点透明传输，使用全双工串行传输方式，传输距离远，抗干扰能力强。

4.根据权利要求2所述的携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的设计方法，其特征在于，所述无线图传模块使用WLAN技术传输图像，传输速率快，能够实现较远距离流畅传输高清晰度数字图像。

5.根据权利要求1所述的携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的设计方法，其特征在于，所述的通信协议采用如下的数据帧格式：

帧头，标志一帧数据的开始；

命令标志，表明此帧数据的功能；

数据，需要修改或者显示的数据；

校验和，用于判断是否传输错误，剔除错误数据帧；

帧尾，标志一帧数据的结束；

该数据帧格式中的数据部分可以根据需要采用整型或浮点型等数据类型。

6.根据权利要求5所述的携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的设计方法，其特征在于：所述上位机软件使用Labview和MATLAB混合编程，并采用所述通信协议与下位机进行通信；其中，使用Labview编写人机交互界面，主要功能包括串口配置，飞行机器人参数调试、实时状态显示；使用MATLAB编写机械臂运动规划相关的函数，通过Labview调用MATLAB服务实现机械臂运动规划、显示和控制。

7.根据权利要求6所述的携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的设计方法，其特征在于：所述上位机软件的人机交互界面具有如下的5个板块：

串口配置板块，包括串口选择，波特率设置；

飞行机器人参数调试板块，包括飞行器参数调试板块和机械臂参数调试板块；飞行器参数调试板块分为姿态环、位置环和高度环三部分；其中，姿态环包含双闭环PID参数调整、参数初始化设置功能，高度环包含双闭环PID参数调整、参数初始化设置、目标参数设置功能，位置环包含参数初始化设置、目标参数设置功能；机械臂参数调试板块具有单独控制各关节打角量功能；

飞行机器人实时状态显示板块，显示内容包括接收机PWM输入捕获值、主控制芯片PWM输出量、飞行姿态、飞行高度、GPS经纬度、各闭环PID输入量、输出量、机械臂各关节打角量、末端执行器坐标；

机械臂运动规划控制板块，包括目标坐标输入控制、机械臂末端轨迹控制、自动夹取控制功能；

摄像头图像显示板块，实时显示飞行机器人摄像头拍摄到的图像。

8.根据权利要求7所述的携带冗余度机械臂的飞行机器人通信***的设计方法，其特征在于：所述机械臂运动规划控制板块通过labview混合编程调用MATLAB冗余度机械臂规划程序完成冗余度机械臂任务规划，返回机械臂执行任务关节角；冗余度机械臂控制算法通过机械臂运动规划方案和二次规划算法实现；冗余度机械臂的运动规划方案通过冗余度机械臂逆运动学实现，其中逆运动学方程可以描述为：

f(θ)＝r

其中r是机械臂末端的期望轨迹，f(·)为冗余度机械臂关节角度到末端轨迹的非线性映射方程；对方程两边同时求导可以得到冗余度机械臂在速度层上的逆运动学方程

<mrow> <mi>J</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mover> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mover> <mi>r</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> </mrow>

其中，J(θ)∈R^m×n为实数域上的m×n维矩阵，J(θ)为冗余度机械臂的雅克比矩阵，n表示机械臂的自由度数，m表示机械臂末端轨迹的空间维数，和分别为冗余度机械臂关节角度和末端轨迹关于时间的导数；根据不同的设计目的和指标要求，将上述的逆运动学问题转换为受约束的时变凸二次规划问题，具体公式为：

<mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>.</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>x</mi> <mi>T</mi> </msup> <mi>W</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>+</mo> <msup> <mi>c</mi> <mi>T</mi> </msup> <mi>x</mi> </mrow>

s.t. Ax＝b

Cx≤d

其中Ax＝b为相应完成任务所需的等式约束，Cx≤d为不等式约束，与为对应关节角的双端不等式约束；根据二次规划的算法，可以设计神经网络求解相应的二次型最优解；根据求解出的二次型最优解作为机械臂的关节角状态，通过混合编程调用将最优关节角角度反馈回上位机软件，并通过相应的传输协议传输到下位机飞行机器人，控制飞行机器人完成相应的控制任务。