[发明专利]一种不确定环境下空中作业机器人主动接触检测控制方法

权利要求书

1.一种不确定环境下空中作业机器人主动接触检测控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S100：构建与环境主动接触检测的空中作业机器人系统，并对所述空中作业机器人系统进行动力学建模分析，得到空中作业机器人的动力学模型；

S200：根据所述空中作业机器人的动力学模型中的广义输入得到期望翻滚和俯仰角以及空中作业机器人系统中的转子转速与推力/转矩之间的转换表达式；

S300：设计额外弯矩估计器估计接触交互力/力矩；

S400：引入二阶弹簧-质量-阻尼模型建立理想接触力与空中作业机器人位置之间的动态关系，进而设计基于时变刚度系数的力跟踪阻抗控制策略，得出计算修正后的位置命令轨迹；

S500：根据所述期望翻滚和俯仰角得到命令姿态，根据所述修正后的位置命令轨迹和所述命令姿态得到状态误差，根据所述状态误差、所述空中作业机器人的动力学模型、所述额外弯矩估计器设计空中作业机器人位姿控制率表达式，得到空中机器人位姿控制率；

S600：根据所述空中机器人位姿控制率与所述空中作业机器人系统中的转子转速与推力/转矩之间的转换表达式得到转子转速，以使空中作业机器人完成不确定环境下的主动接触检测任务。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S100包括：

S110：构建与环境主动接触检测的空中作业机器人系统，该空中作业机器人交互系统包括四旋翼无人机和刚性安装的接触工具；

S120：利用牛顿-欧拉方程法，空中作业机器人的动力学模型描述如下：

其中，和分别是空中作业机器人质心在世界惯性坐标系下的位置和机体坐标系下的角速度，表示实体集，m_u为空中作业机器人总质量，记作从机体坐标系到世界惯性坐标系的旋转矩阵，J＝diag(I_φ,I_θ,I_ψ)是惯性矩阵，其中I_φ，I_θ，I_ψ为惯性常量；g记作重力常数，e₃＝[0,0,1]^T，操作符“×”表示叉乘；为空中作业机器人总升力，其中T_i，i＝1,…,4表示每个转子的升力；为空中作业机器人力矩向量；和是由外部环境对工具施加的力和力矩而在空中作业机器人的质心上产生的外力和力矩；

S130：定义空中作业机器人姿态Φ_B＝[φ,θ,ψ]^T，世界惯性坐标系下角速度欧拉角变化率与ω_B之间的转化关系为：

其中，

将式(2)及其时间导数计算代入式(1)，可得到如下动力学模型为：

其中，表示惯性矩阵，为科氏和离心矩阵，其中S(·)表示斜对称矩阵操作符，为Q(Φ_B)的时间微分，并且

步骤S140：定义变量空中作业机器人的动力学模型可表示成如下矩阵形式：

其中，表示正定惯性矩阵，为科氏和离心项，是重力向量，u＝[(TR_Be₃)^T,(Q(Φ_B)^TM_B)^T]^T为广义输入，是作用在空中作业机器人质心上的额外力/力矩，可表示为：

其中，表示环境和工具末端之间的交互力/力矩，是机体坐标系下的工具末端位置。