[发明专利]一种飞行作业机器人冗余度机械臂下位控制器的设计方法

说明书

本发明公开了一种飞行作业机器人冗余度机械臂下位控制器的设计方法，具体步骤包括：(1)搭建一台飞行作业机器人作为下位机；(2)将冗余度机械臂运动控制问题转换为受约束的时变凸二次规划问题；(3)将求解二次型最优解转换为求解基于线性变分不等式的原对偶神经网络；(4)将其离散化为冗余度机械臂下位控制器，写入机载微型控制器；(5)根据设计的控制器，当接收到控制指令以及轨迹参数后，下位机将求解出机械臂各关节期望角度并转化为PWM电压信号，驱动舵机打角，完成控制任务。本发明能有效解决在上位机端解算后需要传输大量数据而耗费大量时间以及出现传输错误等问题，提高了冗余度机械臂本身的实时控制效果和灵活度，具有现实意义。

技术领域

本发明涉及飞行作业机器人的设计领域，尤其涉及一种飞行作业机器人冗余度机械臂下位控制器的设计方法。

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。由于具有冗余度机械臂，该飞行机器人具备执行复杂任务、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，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，具有很高的研究价值。

飞行机器人的冗余度机械臂的运动控制需要解析逆运动学问题，以往在上位机端解析后再实时传输结果到下位机端的控制方式，存在传输大量数据耗费大量时间、可能出现传输错误等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞行作业机器人冗余度机械臂下位控制器的设计方法。所述方法根据上位机简单、少量的轨迹参数即可进行逆运动学实时求解，有效解决在上位机端解算后需要传输大量数据耗费大量时间以及可能出现传输错误等问题，提高机械臂本身的实时控制效果和灵活度，具有现实意义。

本发明的目的能够通过以下技术方案实现：

一种飞行作业机器人冗余度机械臂下位控制器的设计方法，具体步骤包括：

(1)搭建一台飞行作业机器人作为下位机；

(2)根据步骤(1)设计的飞行作业机器人，按照不同的设计目的和指标要求，将冗余度机械臂运动控制问题转换为受约束的时变凸二次规划问题；

(3)将求解步骤(2)中时变凸二次规划问题的二次型最优解转换为求解基于线性变分不等式的原对偶神经网络(LVI-PDNN)；

(4)将步骤(3)中设计的LVI-PDNN离散化为冗余度机械臂下位控制器并写入机载微型控制器；

(5)根据步骤(4)中设计的冗余度机械臂下位控制器，当接收到上位机传输的机械臂控制指令以及轨迹参数后，下位机将求解出机械臂各关节期望角度，并将角度信息转化为PWM电压信号，驱动舵机打角，完成控制任务。

具体地，搭建的飞行机器人包括多旋翼飞行器和冗余度机械臂，并搭载微型控制器。

进一步地，上述冗余度机械臂运动控制问题的逆运动学方程表示为：

f(θ)＝r (1)

其中，θ表示冗余度机械臂关节角度，r表示机械臂末端的期望轨迹；f(·)表示冗余度机械臂关节角度到末端轨迹的非线性映射方程。

对逆运动学方程两边同时求导，得到冗余度机械臂在速度层上的逆运动学方程：

其中，为实数域上的m×n维矩阵；J(θ)表示冗余度机械臂的雅可比矩阵，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；和分别表示冗余度机械臂关节角度和末端轨迹关于时间的导数。

对冗余度机械臂在速度层上的逆运动学方程两边同时求导，得到冗余度机械臂在加速度层上的逆运动学方程：