[发明专利]一种飞行机器人悬停控制系统设立方法

说明书

本发明公开了一种飞行机器人悬停控制系统设立方法,所述方法包括以下步骤：第一步，飞行机器人模型建立及控制器设计；第二步，飞行机器人视觉伺服控制系统设计；第三步，飞行机器人视觉伺服控制系统实现。本发明的飞行机器人悬停控制系统设立方法，在建立的飞行机器人动力学模型的基础上设计了基于IBVS视觉伺服算法的飞行机器人控制系统，并通过在MATLAB的SIMULINK环境下的仿真实验验证了该控制系统的可行性与有效性；在此仿真实验基础之上，最后为Parrot AR‑Drone微小型四旋翼飞行器搭建视觉伺服控制系统。

技术领域

本发明涉及一种飞行机器人悬停控制系统设立方法，属于视觉机器人技术领域。

背景技术

当今社会对于电力供应的依赖越来越强；因此电力运行中断将对于电力生产者、销售者以及消费者造成巨大的财政损失，故而目前业内普遍将关注点聚焦在如何减少电力线路故障；为了尽快检测出故障并且安排出有效的维修计划，是有必要对电力线路进行定期的检查；传统的人力步行巡检方式与直升飞机协助巡检都存在缺点；人力步行巡检，需要工作人员沿线观测电力线路，但是从地面观测，仅仅只能看到电力线的表面，同时人工目检的巡检方法手段单一，工作效率低并且具有主观性；因此很容易忽略大的故障；直升机协助巡检方式是目前常用的方法；虽然直升机协助巡检与人工步行巡检相比工作效率高，不受地形影响，但是直升机协助巡线要花费昂贵的费用。视觉传感器由于具有成本低、信息丰富、算法简单、可靠性高等优点而被广泛应用于机器人控制系统，近年来许多研究者提出将视觉传感器应用于飞行机器人，为其稳定飞行提供相关的导航控制信息，以提高飞行机器人自主飞行能力；基于视觉的飞行机器人控制系统的构建和应用不仅可以增强稳定相关的导航控制信号，同时还能提升飞行机器人的悬停性能；因此，飞行机器人视觉控制己成为近年来计算机视觉领域和飞行器控制领域的研究热点之一。利用飞行机器人对架空输电线路进行巡检具有巡检效率高、成本低、安全性强等优点；飞行机器人对输电线路进行巡检时，主要是通过安装在飞行机器人上的图像采集设备即摄像机拍摄的线路图像来判断线路的运行状态及故障信息，但飞行机器人在高空执行巡检任务时，常常需要悬停飞行于线路上方，以保证观测线路的角度清晰、稳定，但是在实际中，由于气流、干扰信号等因素的影响使得飞行机器人无法稳定悬停。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种飞行机器人悬停控制系统设立方法，在建立的飞行机器人动力学模型的基础上设计了基于IBVS视觉伺服算法的飞行机器人控制系统，并通过在MATLAB的SIMULINK环境下的仿真实验验证了该控制系统的可行性与有效性；在此仿真实验基础之上，最后为Parrot AR-Drone微小型四旋翼飞行器搭建视觉伺服控制系统。

本发明的飞行机器人悬停控制系统设立方法，所述方法包括以下步骤：

第一步，飞行机器人模型建立及控制器设计，

a.分析了四旋翼飞行器的结构和表示飞行器动力学模型的牛顿-欧拉方程的推导过程；

b.根据动力学模型得到飞行器模型；

c.采用PD控制算法为飞行器设计自平衡控制器，并在Matlab Simulink环境下进行了仿真实验；

d.仿真结果表明控制器的控制效果良好；飞行器内部自平衡控制器的设计也为下一步设计飞行器外部视觉控制环打下了基础；

第二步，飞行机器人视觉伺服控制系统设计，

a.对视觉伺服技术进行了介绍；

b.在Matlab仿真环境下为飞行机器人设计了视觉伺服控制系统；

c.实验中，控制系统选取了不同参数进行仿真，并在最后对仿真结果进行分析；

第三步，飞行机器人视觉伺服控制系统实现，在之前工作的基础之上，为飞行机器人AR-Drone搭建视觉伺服控制系统，设计上位机控制程序，并在实验中对IBVS控制算法的结果进行了验证、分析。