[发明专利]一种树障清理空中机器人的双锯刀具控制装置和控制方法

权利要求书

1.一种树障清理空中机器人的双锯刀具控制装置，其特征在于：包括连接在飞行平台(1)和双圆盘锯(8)间的作业臂上的保护关节(3)，保护关节(3)内置有感知树障作用于双圆盘锯(8)的轴向力、俯仰力矩、航向力矩和滚转力矩的轴向力传感器、俯仰力矩传感器、航向力矩传感器和滚转力矩传感器，轴向力传感器、俯仰力矩传感器、航向力矩传感器和滚转力矩传感器连接到飞行平台(1)内的飞行控制器，飞行控制器连接到刀具控制器(5)和飞行平台(1)内的飞行动力装置，刀具控制器(5)连接着驱动双圆盘锯(8)的两个刀具电机(7)、感知双圆盘锯(8)转速与温度的两个转速传感器与两个温度传感器(9)、感知两个刀具电机(7)工作电流的两个电流传感器。

2.根据权利要求1所述的一种树障清理空中机器人的双锯刀具控制装置的保护方法，其特征在于：该方法如下：

1)通过保护关节(3)感知的双圆盘锯(8)所受树障轴向反作用力或俯仰、航向、滚转反作用力矩，一旦达到或超过预定的保护门限，判定刀具处于过载状态，即令刀具控制器(5)和飞行控制器自动同步进入保护模式：控制双圆盘锯(8)先刹车后反转，同时控制空中机器人向后运动退出作业。

2)步骤1)中反作用力或力矩若小于预定的保护门限，将作为空中机器人运动微调的控制输入，具体控制方法如下：

A)设清理树障时保护关节(3)感知的轴向力为X，向后为正，相应的作业门限为λ_X、不灵敏区为δ_X，其中，λ_X＞0，0≤δ_X＜λ_X，有：

若X<0，判定空中机器人受到树障的前向拉力，飞行控制器可采取如下方法之一：①控制飞行平台(1)向前运动微调，若X正向增加则继续当前清障作业，若X不变或负向增加则转到②；②控制飞行平台(1)进入悬停状态，同时通过飞行平台(1)内的通信模块向地面人员发送安全报警信息，以求人工干预；

若X＜λ_X-δ_X，飞行控制器控制飞行平台(1)向前运动微调，使轴向力增大，实现轴向自动作业进给；

若|X-λ_X|≤δ_X，飞行控制器控制飞行平台(1)保持悬停，轴向进给量为零；

若X＞λ_X+δ_X，飞行控制器控制飞行平台(1)向后运动微调，使轴向力减小，实现轴向自动保护回退；

B)设清理树障时保护关节(3)感知的航向力矩为N，俯视向右为正，相应的不灵敏区为δ_N，其中，δ_N≥0，有：

若|N|＞δ_N，飞行控制器控制飞行平台(1)向使|N|减小的方向进行航向微调，实现左右自动平衡调整；

若|N|≤δ_N，飞行控制器控制飞行平台(1)保持当前航向；

C)设清理树障时保护关节(3)感知的俯仰力矩为M，向上为正，相应的不灵敏区为δ_M，其中，δ_M≥0，有：

若|M|＞δ_M，飞行控制器控制飞行平台(1)向使|M|减小的方向运动微调高度；

若|M|≤δ_M，飞行控制器控制飞行平台(1)保持当前高度。

3.根据权利要求1所述的一种树障清理空中机器人的双锯刀具控制装置的保护方法，其特征在于：该方法如下：

在树障清理过程中，根据刀具控制器(5)所感知的刀具转速、刀具温度和电机电流，可对圆盘锯(8)的过载、卡阻及损伤状态进行评估：

1)若电机电流超过电流预定门限，判定圆盘锯(8)过载或卡阻；

2)若刀具转速低于转速预定门限，判定圆盘锯(8)过载或卡阻；

3)若刀具温度超过温度预定门限，判定圆盘锯(8)过载或卡阻；

4)若电机电流或刀具转速出现周期性的脉动，判定圆盘锯(8)有损伤；

一旦出现1)-4)中任一情况，即快速通过刀具控制器(5)向刀具电机(7)输出先刹车后反转指令，通过飞行控制器向飞行动力装置输出反向回退指令，以实现空中机器人保护性退避，同时通过飞行平台(1)内的通信模块向地面人员发送安全报警信息。

4.根据权利要求1所述的一种树障清理空中机器人的双锯刀具控制装置的保护方法，其特征在于：该方法如下：

1)双圆盘锯(8)平衡作业状态的检测方法：

设两个圆盘锯(8)的平均转速分别为瞬时转速分别为N_a、N_b；设电机的平均电流分别为瞬时电流分别为I_a、I_b；设锯片的平均温度分别为瞬时温度分别为T_a、T_b；

定义两个圆盘锯(8)的平均转速差瞬时转速差ΔN＝N_a-N_b；电机的平均电流差瞬时电流差ΔI＝I_a-I_b；锯片的平均温度差瞬时温度差ΔT＝T_a-T_b，有：

A)若|ΔN|≥δ_N、|ΔI|≥δ_I、|ΔT|≥δ_T中任一成立，判定两个圆盘锯(8)平衡作业失常，其中的δ_N、δ_I、δ_T均大于等于0，分别为各对应物理参数的平衡作业判定阈值；

B)若判定两个圆盘锯(8)平衡作业失常，其中的δ≥0，为平衡作业综合判定阈值，k₁～k₆为权值系数；

2)双圆盘锯(8)平衡补偿及保护控制方法：

将各圆盘锯(8)的转速、电机电流、锯片温度及平衡作业状态信息反馈给空中机器人的飞行控制器，若判定两个圆盘锯(8)平衡作业失常，则

A)刀具控制器(5)立即做出先刹车后反旋控制，使圆盘锯(8)退出作业，同时向空中机器人的飞行控制器发送保护性回退指令；

B)由飞行控制器控制空中机器人向转速高、电流小、温度低的一侧圆盘锯(8)运动微调，实施双刀具平衡补偿。