[发明专利]基于作业飞行机器人重心偏移的位姿控制器设计方法

说明书

本发明涉及一种基于作业飞行机器人重心偏移的位姿控制器设计方法，包括如下步骤：步骤S1：考虑重心偏移，对四旋翼无人机搭载机械臂系统进行建模；步骤S2：通过引入二阶滑模函数，在滑模面上求解出位置控制律，使无人机平台可以按目标轨迹飞行；步骤S3：姿态解耦时考虑重心偏移系统参数，解算出无人机平台按目标轨迹飞行所需的翻滚角、俯仰角和升力；步骤S4：在姿态控制器中考虑重心偏移控制参数，在反演控制器中加入自适应，使控制律自适应重心偏移控制参数，解算出翻滚、俯仰、偏航的输入力矩；步骤S5：通过升力、翻滚力矩、俯仰力矩、偏航力矩解算出四个旋翼的转速。该方法有利于提高无人机的控制精度。

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种基于作业飞行机器人重心偏移的位姿控制器设计方法。

背景技术

无人机实现无人驾驶的方式从遥控驾驶，到机载计算机自主控制。无人机已经是成熟的飞行平台，可以在飞行平台上搭载不同组件扩展飞行平台在不同领域的应用。比如，农业、遥感、物流、探伤甚至清洁方面都有无人机应用的潜能。其中，这些应用不乏需要在无人机平台上搭载机械臂，将二者结合起来就是空中智能机器人，如此高端的设备可使工业获得很大的便利。随着研究员对这块领域的深入，已经有学者实现了无人机搭载机械臂在实际中的应用。设计了一个双臂空中机械手来拧紧阀门；引入冲击装置，能够将扭矩增加到原来的六倍，抓住物体后通过使用飞行机器人绕z轴旋转来执行扭转工作，可以把天花板上的灯泡拧下来、摘取庄稼、高空拧螺丝等；使用一种基于图像的圆柱体检测算法，能自主抓取圆柱形物体；从鹰捕猎汲取灵感，实现高速抓取；多个无人机协作执行运输任务。

上述的这些应用都有一个飞行抓取的动作。而想要凭借指令飞行抓取，就还有一些技术难点需要攻克。稳定抓取，是控制工程对飞行抓取首要解决的问题。由于抓取后的重心发生偏移，若重心偏移量过大将导致悬停的无人机产生水平分量，竖直分量减少而偏离规划好的位置甚至失控。

对于飞行抓取的重心偏移问题，已经有学者引用了多种方法对重心偏移进行补偿。例如，用移动电池盒在短时间补偿偏移的方法；建立一个广义的重心补偿方案，对位置漂移进行补偿；为了减小重心偏移，机械手的几何参数的选择经过优化，使机械臂质量最小化等方法。上述学者大部分从外部补偿的角度去解决问题，对作业型飞行机器人系统会造成额外的设计负担.。因此，本发明对系统进行完善，从系统建模的角度将重心偏移引起的时变参数列为研究对象，将重心偏移的时变参数分为重心偏移系统参数和重心偏移控制参数。在姿态解耦时考虑重心偏移系统参数并设计控制器去自适应重心偏移控制参数,，以此来解决重心偏移的问题.。在此基础上,在姿态控制器设计过程中，通过加入自适应律调整重心偏移控制参数，实现了飞行姿态的高精度轨迹跟踪性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于作业飞行机器人重心偏移的位姿控制器设计方法，该方法有利于提高无人机的控制精度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于作业飞行机器人重心偏移的位姿控制器设计方法，包括如下步骤：

步骤S1：考虑重心偏移，对搭载机械臂的四旋翼无人机系统进行建模；

步骤S2：通过引入二阶滑模函数，在滑模面上求解出位置控制律，使无人机平台可以按目标轨迹d_T飞行；

步骤S3：姿态解耦时考虑重心偏移系统参数，解算出无人机平台按目标轨迹d_T飞行所需的翻滚角俯仰角θ_d和升力

步骤S4：在姿态控制器中考虑重心偏移控制参数，在反演控制器中加入自适应，使控制律自适应重心偏移控制参数，解算出翻滚、俯仰、偏航的输入力矩

步骤S5：通过升力翻滚力矩俯仰力矩偏航力矩解算出四个旋翼的转速ω_i，i＝1,2,3,4。

进一步地，利用牛顿-欧拉方程法对搭载机械臂的四旋翼无人机系统进行建模，根据力平衡和力矩平衡得到：