CN111993427A - 一种空中作业机器人的自增稳控制方法、装置、终端、***及可读存储介质 - Google Patents

一种空中作业机器人的自增稳控制方法、装置、终端、***及可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空中作业机器人的自增稳控制方法、装置、终端、***及可读存储介质，所述方法包括：获取空中作业机器人的姿态信息；并基于姿态信息计算出位置补偿向量；基于逆运动学利用所述位置补偿向量进行姿态扰动补偿控制。本发明基于空中作业机器人在姿态变换过程中作业平台与末端作业工具之间的位置向量关系推导出位置补偿向量公式，进而在实际控制过程中，监测空中作业机器人的飞行平台姿态变化并对应计算出位置补偿向量，再控制机器人的关节完成补偿控制，解决了由飞行平台姿态变动而导致末端作业工具扰动的问题，使末端作业工具达到自稳的效果，保证空中作业机器人不受飞行平台姿态扰动的影响。

Description

一种空中作业机器人的自增稳控制方法、装置、终端、***及 可读存储介质
技术领域
本发明属于空中作业机器人控制技术领域，具体涉及一种空中作业机器人的自增稳控制 方法、装置、终端、***及可读存储介质。
背景技术
随着微机电***技术和高功率密度动力***技术的快速发展，无人机特别是旋翼无人机 在过去二十年里取得了重大突破和较大应用进展，如航空摄影、地图创建与测量、自然灾害 救援和战场监控等。但是单纯的无人机也有其限制和局限，如无人机搭载相关测量设备只能 作为一种被动的信息观测型机器人无主动作业能力，而无人空中作业机器人由无人机飞行平 台和主动作业机构组成，具有对环境进行主动作业的能力，大大的扩展了无人机的局限性。 空中机器人作为一类特殊的移动机器人，其关键核心技术研究对促进我国民用无人机快速发 展和国防装备信息化、智能化提升具有重要意义。目前，空中作业机器人主要在被动型信息 观测机器人得到广泛应用，但是这极大限制了其应用场景，而在信息观测型空中机器人的基 础上加入主动执行机构(如机械臂、灵巧手等)得到空中作业机器人能够集感知观测与主动 作业于一体，是当前空中机器人发展和研究的必然趋势，其研究不仅对推动移动作业型机器 人***理论的完善具有重要的借鉴意义，且在国家重大能源工程设施的维护作业中具有广泛 的应用前景。
对于空中作业机器人所使用的飞行平台一般是旋翼飞行平台(如直升机、四旋翼等)，其 有一个共同特点就是欠驱动特性，由于旋翼飞行平台自身的欠驱动特性，将探测传感器(如 摄像头、激光等)安装在机体上也具有欠驱动特性，使得位置和姿态需要控制耦合。且由于 主动操作机构的存在，操作型飞行平台***在工作过程中的重心位置和所受到的干扰具有强 烈的快时变特性，这需要旋翼飞行平台通过改变自身的飞行姿态来应对。然而飞行平台在调 制姿态的过程中，固连在其底部的作业机构末端会出现较大扰动从而偏离原始位置，非常不 利于空中作业，尤其会对精确控制造成很大影响。
综上所述，亟需解决空中作业机器人的自稳问题，从而实现作业末端的精确控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于空中作业机器人的自增稳控制方法，解决飞行平台姿态 发生变化时，作业机构的扰动问题，进而实现对作业机构末端的精准控制。
一方面，本发明提供一种空中作业机器人的自增稳控制方法，包括如下步骤：
获取空中作业机器人的姿态信息；
并基于姿态信息计算出位置补偿向量；
基于逆运动学利用所述位置补偿向量进行姿态扰动补偿控制。
进一步优选，所述姿态信息为空中作业机器人姿态变化时飞行平台的机体坐标系的平移 偏移量以及旋转变换矩阵，所述位置补偿向量如下所示：
Figure BDA0002665139330000021
式中，OB是初始状态下机械手基坐标系
Figure BDA0002665139330000022
的原点，O'B是姿态变换后机械手基坐标系
Figure BDA0002665139330000023
的原点，P为末端作业工具的目标位置，
Figure BDA0002665139330000024
为位置补偿向量，
Figure BDA0002665139330000025
是初始状态的机械手 基坐标
Figure BDA0002665139330000026
下末端作业工具的目标位置向量，VtV'和VRV'分别是姿态变换前后飞行平台机体坐 标系的平移偏移和旋转变换矩阵(即，通过机载视觉传感器测量和IMU惯性测量得到)，I3×3是恒等矩阵，VtB为初始状态的机械手基坐标
Figure BDA0002665139330000027
与飞行平台机体坐标系
Figure BDA00026651393300000213
的原始偏移向量， T为矩阵转置符号。
其中，基于机载视觉传感器测量和IMU惯性测量等测量得到机器人位置和姿态，进而得 到用其表达的平移偏移和旋转变换矩阵。
其中，存在一种状态是机械手基坐标系
Figure BDA0002665139330000028
未发生偏移，进而忽略姿态变换前后飞行平台 机体坐标系的平移偏移VtV'以及初始状态的机械手基坐标
Figure BDA0002665139330000029
与飞行平台机体坐标系
Figure BDA00026651393300000210
的原 始偏移向量VtB，此时，位置补偿向量
Figure BDA00026651393300000211
进一步优选，所述姿态信息是基于空中作业机器人上的机载传感器获取的。
进一步优选，所述机载传感器包括视觉传感器和IMU。
进一步优选，获取的所述姿态信息包括空中作业机器人姿态变化时飞行平台的机体坐标 系的平移偏移量、旋转变换矩阵以及初始状态的机械手基坐标
Figure BDA00026651393300000212
下末端作业工具的目标位置 向量。
第二方面，本发明提供一种空中作业机器人的自增稳控制装置，包括：
姿态模块获取：用于获取空中作业机器人的姿态信息；
位置补偿向量计算模块：用于基于姿态信息计算出位置补偿向量；
补偿控制模块：用于利用所述位置补偿向量基于逆运动学进行姿态扰动补偿控制S1：建 立空中作业机器人的坐标系。
第三方面，本发明提供一种空中作业机器人的自增稳控制终端，包括处理器和存储器， 所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用所述计算机程序执行所述方法的步骤。
第四方面，本发明提供一种空中作业机器人的自增稳控制***，包括空中作业机器人以 及控制模块，所述控制模块与空中作业机器人的动力模块连接，所述控制模块为所述自增稳 控制装置或所述自增稳控制终端。
第五方面，本发明提供一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被处理 器调用执行所述方法的步骤。
有益效果
本发明提供的所述自增稳控制方法研究空中作业机器人在姿态变换过程中，机械手基坐 标系，末端执行器坐标系以及工具坐标系随之变化情况，基于位置向量关系推导出位置补偿 向量，从而再利用逆运动学求得达到目标姿态所需要的关节角度，进而控制机器人的关节完 成补偿控制，解决了由飞行平台姿态变动而导致末端作业工具扰动的问题，使末端作业工具 达到自稳的效果，保证空中作业机器人不受飞行平台姿态扰动的影响正常进行作业，并实现 对末端作业工具的精准控制。
附图说明
图1是本发明所述自增稳控制方法的流程示意图。
图2是基于逆运动学的姿态扰动补偿几何关系图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于空中作业机器人的自增稳控制方法，其用于解决飞行平台改变自 身飞行姿态时造成的作业机构末端扰动的问题。本发明通过研究飞行平台姿态变化过程中满 足的向量关系求解出位置补偿向量，进而利用逆运动学求得达到目标位姿时需要的关节角度 向量，进而控制相关关节达到自稳效果。下面结合附图对本发明进行说明。所描述的实施例 仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了实现本发明实施例所述自增稳控制方法，首先，需要构建无人的空中作业机器人的 坐标系。即针对无人空中作业机器人这一复合***结构复杂的特点，在统一坐标系建立*** 的运动学模型。
步骤1：先建立无人空中作业机器人的坐标系，针对无人空中作业机器人这一复合*** 结构复杂的特点，在统一坐标系建立***的运动学模型。如图2所示。
Figure BDA0002665139330000041
表示 世界坐标系，zI竖直向上且为重力的反方向，OI为世界坐标系的原点。
Figure BDA0002665139330000042
表 示飞行平台的机体坐标系，其坐标原点OV优选设置于飞行平台的几何中心，且zV方向为上。
Figure BDA0002665139330000043
为机械手基坐标系(机械手即作业机构)，其原点OB为作业机构与飞行平台 的安装点。
基于上述坐标系，本发明研究飞行平台姿态变化的过程如图2所示，从图中可以看出当 飞行平台姿态变化时(图中为偏离中间位置)，若无姿态补偿控制则末端作业工具会运动到P 点之外的位置P’，因此，本实施例的目标是通过主动控制作业机构的运动使得末端作业工具 维持在P点。
具体地，先考虑位置偏移带来的影响，当飞行平台有移动和姿态改变时，坐标
Figure BDA0002665139330000044
和
Figure BDA0002665139330000045
分 别变为
Figure BDA0002665139330000046
以及
Figure BDA0002665139330000047
中心点为P的末端执行器直接安装机械 臂上，从不同方向计算向量
Figure BDA0002665139330000048
即下述等式两边的和都为
Figure BDA0002665139330000049
Figure BDA00026651393300000410
其中，
Figure BDA00026651393300000411
是坐标系
Figure BDA00026651393300000412
下目标异物位置的向量(是根据机载视觉传感器检测到的位置信 息得到的)，也是经过补偿控制后的期望位置点；VtB为坐标系
Figure BDA00026651393300000413
与坐标系
Figure BDA00026651393300000414
之间的原始位 置偏移向量，VtV'和VRV'分别是坐标系
Figure BDA00026651393300000415
到坐标系
Figure BDA00026651393300000416
的平移偏移、旋转变换矩阵(VtV'和 VRV'分别通过机载视觉传感器测量和IMU惯性测量单位得到)，位置补偿向量
Figure BDA00026651393300000417
为：
Figure BDA00026651393300000418
其中，I3×3是恒等矩阵。
因此，基于上述原理，本发明实施例提供的一种空中作业机器人的自增稳控制方法包括 如下步骤：
S1：获取空中作业机器人的姿态信息。
具体的本实施例中选用机载传感器(视觉里程计+IMU)获取姿态与位置信息，而使用 视觉惯性里程计VIO(视觉里程计+IMU)可以解决GPS技术精度低等问题。一般的视觉传感器在大多数纹理丰富的场景中效果很好，但是如果遇到玻璃，白墙等特征较少的场景，基本上无法工作，快速运动时定位跟踪容易丢失，单目视觉无法测量尺度，但是由于视觉不产生漂移，是可以直接测量旋转平移。对于IMU，由于零偏和噪声的存在，导致其长时间使用有非常大的累积误差；低精度IMU长时间积分位姿容易发散，而高精度的价格普遍较贵；同时IMU有输出频率高、能输出6DoF测量信息等优点，在短时间内，其相对位移数据有很高 的精度。因此视觉和IMU定位方案存在一定互补性质；所以当视觉传感器在短时间内快速 运动失效时，融合IMU数据，能够为视觉提供短时的精准定位，同时利用视觉定位信息来估 计IMU的零偏，减少IMU由零偏导致的发散和累积误差。通过二者的融合，可以解决视觉 位姿估计输出频率低的问题，同时位姿估计精度有一定的提高，整个***也更加鲁棒，因此， 本实施例中选择视觉里程计+IMU来获取姿态信息。
S2：基于姿态信息计算出位置补偿向量。其中，利用机载传感器获取到位置以及姿态后 可以得到空中作业机器人姿态变化时飞行平台的机体坐标系的平移偏移量VtV'、旋转变换矩阵 VRV'以及初始状态的机械手基坐标
Figure BDA0002665139330000051
下末端作业工具的目标位置向量
Figure BDA0002665139330000052
然后再利用上述 推出的位置补偿向量
Figure BDA0002665139330000053
的公式计算出位置补偿向量。
S3：基于逆运动学利用所述位置补偿向量进行姿态扰动补偿控制。即利用作业机构的逆 运动学来补偿由飞行平台姿态变动导致的末端作业工具扰动问题，即通过主动控制作业机构 的运动使得末端作业工具不受到飞行平台姿态变动的影响而偏离其正确的作业时的位置，使 得空中机器人能够进行正常作业。
具体地，利用得到的位置补偿向量
Figure BDA0002665139330000054
(
Figure BDA0002665139330000055
也视为期望的任务空间位置向量xd T)， 再通过逆运动学求解得到关节空间位置向量qd使其满足：
Figure BDA0002665139330000056
再将得到的关节 空间位置向量qd传送给控制端，使得控制器对机器人的关节进行相应控制，即可到达目标位 置。其中，
Figure BDA0002665139330000057
为作业机构的逆运动学方程，是现有技术，因此，本实施例中对逆运 动学的计算过程不进行具体的阐述。需要说明的是，作业机构其包括并不限于串联、并联型 机构。
基于上述自增稳控制方法，本发明还提供一种空中作业机器人的自增稳控制装置，包括： 相互连接的姿态模块获取，位置补偿向量计算模块以及补偿控制模块。其中，姿态模块获取 用于获取空中作业机器人的姿态信息；位置补偿向量计算模块用于基于姿态信息计算出位置 补偿向量；补偿控制模块用于利用所述位置补偿向量基于逆运动学进行姿态扰动补偿控制。
具体各个模块的实现过程请参照上述自增稳控制方法的内容，在此不再赘述。应该理解 到，上述功能模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以有另外的划分方式， 例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。 同时，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
在一些实施例中，本发明还提供一种空中作业机器人的自增稳控制终端，包括处理器和 存储器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用所述计算机程序执行所述自增稳控 制方法的步骤。应当也可以理解，在一些实施例中，自增稳控制终端也是一个集合处理功能 以及存储功能的控制器。
在一些实施例中，本发明还提供一种空中作业机器人的自增稳控制***，包括空中作业 机器人以及控制模块，所述控制模块与空中作业机器人的动力模块连接，所述控制模块为所 述自增稳控制装置或所述自增稳控制终端，即控制模块为控制中心，运行相关算法实现对作 业机器人中作业机构的控制。
在一些实施例中，本发明提供一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序 被处理器调用执行所述自增稳控制方法的步骤。
应当理解，在本发明实施例中，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit， CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、 专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器 件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器 等。存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器的 一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
所述可读存储介质为计算机可读存储介质，其可以是前述任一实施例所述的控制器的内 部存储单元，例如控制器的硬盘或内存。所述可读存储介质也可以是所述控制器的外部存储 设备，例如所述控制器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字 (Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述可读存储介质还可以既包括所 述控制器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述可读存储介质用于存储所述计算机程序 以及所述控制器所需的其他程序和数据。所述可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出 或者将要输出的数据。
需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具 体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方 式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种空中作业机器人的自增稳控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
获取空中作业机器人的姿态信息；
并基于姿态信息计算出位置补偿向量；
基于逆运动学利用所述位置补偿向量进行姿态扰动补偿控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述姿态信息为空中作业机器人姿态变化时飞行平台的机体坐标系的平移偏移量以及旋转变换矩阵，所述位置补偿向量如下所示：
Figure FDA0002665139320000011
式中，OB是初始状态下机械手基坐标系
Figure FDA0002665139320000012
的原点，O'B是姿态变换后机械手基坐标系
Figure FDA0002665139320000013
的原点，P为末端作业工具的目标位置，
Figure FDA0002665139320000014
为位置补偿向量，
Figure FDA0002665139320000015
是初始状态的机械手基坐标
Figure FDA0002665139320000016
下末端作业工具的目标位置向量，VtV'和VRV'分别是姿态变换前后飞行平台机体坐标系的平移偏移和旋转变换矩阵，I3×3是恒等矩阵，VtB为初始状态的机械手基坐标
Figure FDA0002665139320000017
与飞行平台机体坐标系
Figure FDA0002665139320000018
的原始偏移向量，T为矩阵转置符号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述姿态信息是基于空中作业机器人上的机载传感器获取的。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述机载传感器包括视觉传感器和IMU。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：获取的所述姿态信息包括空中作业机器人姿态变化时飞行平台的机体坐标系的平移偏移量、旋转变换矩阵以及初始状态的机械手基坐标
Figure FDA0002665139320000019
下末端作业工具的目标位置向量。
6.一种空中作业机器人的自增稳控制装置，其特征在于：包括：
姿态模块获取：用于获取空中作业机器人的姿态信息；
位置补偿向量计算模块：用于基于姿态信息计算出位置补偿向量；
补偿控制模块：用于利用所述位置补偿向量基于逆运动学进行姿态扰动补偿控制S1：建立空中作业机器人的坐标系。
7.一种空中作业机器人的自增稳控制终端，其特征在于：包括处理器和存储器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用所述计算机程序执行权利要求1-5任一项所述方法的步骤。
8.一种空中作业机器人的自增稳控制***，其特征在于：包括空中作业机器人以及控制模块，所述控制模块与空中作业机器人的动力模块连接，所述控制模块为权利要求6所述的装置或权利要求7所述的终端。
9.一种可读存储介质，其特征在于：存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用执行权利要求1-5任一项所述方法的步骤。
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