[发明专利]一种携带冗余度机械臂的飞行机器人控制系统设计方法

说明书

本发明公开了一种携带冗余度机械臂的飞行机器人控制系统设计方法，针对六旋翼飞行器自适应稳定飞行控制器和冗余度机械臂控制器两方面的设计，主要包括下述步骤：根据飞行实时运行数据，对携带冗余度机械臂的飞行机器人进行动力学建模，然后根据建模方程，设计位置、高度和姿态控制器，并且采用基于李雅普诺夫稳定性原理的后推方法，进行轨迹跟踪处理，然后再进行自适应处理，即可完成飞行器自适应稳定飞行控制器的设计；对于冗余度机械臂运动规划控制器，采用机械臂运动规划方案设计和二次规划设计。本发明方法的自适应后推设计方法，可快速、准确、实时跟踪飞行器的目标轨迹，并提高了系统的鲁棒性和稳定性。

技术领域

本发明属于飞行机器人控制系统设计领域，特别涉及一种基于自适应后推设计的携带冗余度机械臂的飞行机器人控制系统设计方法。

背景技术

近年来世界各国都在大力发展多旋翼飞行器，无论是在军事方面还是在民用方面都得到了广泛的应用。相比于传统的飞行器而言，多旋翼飞行器具有体积较小、成本较低、机动性强、可定点悬停、可垂直起降，各种姿态的飞行等优势，可高效益地在军事上用于侦察和监视等和在民用方面用于电力巡线等。随着无人机技术的迅猛发展，雷达、激光、声纳等仪器设备都可装备到无人机上，用于完成特定的任务，而随着机器人科学和机械臂技术的进步，具备冗余度机械臂的机器人具有可协调执行机械臂复杂任务、躲避关节极限、躲避奇异点，并且具有一定的容错特性，被广泛应在在各行各业，如家用服务型机器人，可以帮助人们完成一些琐碎的工作；或者工业用机械手等，有效地提高了生产精度和生产速率。由于实际应用环境复杂性和任务条件的多样化的影响，基于PID闭环控制算法以及相应的改进控制算法进行设计的传统的无人机控制器逐渐难以满足人们的期望。因此，我们需要设计性能更加良好的控制器，而基于自适应后推方法的设计方法是非线性系统控制器设计最常用的方法之一，是将系统李雅普诺夫函数的选取与控制器的设计相结合的一种回归设计方法，可以有效地减少系统的稳态误差和加快调节速度，从而使得被控量快速跟踪目标值，实现轨迹跟踪控制，同时，自适应控制的引用能有效地消除模型的参数不确定性所带来的影响，极大提高系统的鲁棒性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种携带冗余度机械臂的飞行机器人控制系统设计方法，包括飞行器自适应稳定飞行控制器和冗余度机械臂控制器两方面的设计，采用基于李雅普诺夫稳定性原理的后推方法，计算飞行器电机控制量，能够快速、准确、实时跟踪飞行器的目标轨迹，并提高了系统的鲁棒性和稳定性。

为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：

一种携带冗余度机械臂的飞行机器人控制系统设计方法，是针对六旋翼飞行器自适应稳定飞行控制器和冗余度机械臂控制器两方面的设计，该方法包括如下步骤：

S1、根据飞行机器人上所搭载的姿态传感器以及相应的高度与位置传感器所获取到的飞行机器人自身的飞行实时运行数据，对携带冗余度机械臂的飞行机器人进行动力学建模；

S2、根据步骤S1建立的飞行机器人动力学方程，设计水平位置控制器、高度控制器、以及姿态控制器，从系统最低阶次微分方程开始引入虚拟控制量，采用基于李雅普诺夫稳定性原理的后推方法，设计满足系统稳定要求和误差收敛要求的虚拟控制，从而确定各个控制器的虚拟控制量；

S3、根据步骤S2获得的各个控制器的控制量，并通过选取相应的李雅普诺夫函数，求解扰动自适应率，然后对飞行机器人质量进行在线估计，采用基于李雅普诺夫稳定性原理的后推方法，确定质量自适应率，即完成飞行机器人自适应稳定飞行控制器的设计；

S4、根据冗余度机械臂控制器的设计需求，设计冗余度机械臂运动规划控制器，具体包括机械臂运动规划方案设计和二次规划设计，通过冗余度机械臂逆运动学实现冗余度机械臂的运动规划方案设计，再根据不同的设计目的和指标要求，将冗余度机械臂逆运动学问题转换为受约束的时变凸二次规划问题，并将求解结果作为机械臂的关节角状态，控制飞行机器人完成相应的控制任务。