[发明专利]一种基于系绳连接的智能空中抓捕器及控制方法

说明书

本发明涉及一种基于系绳连接的智能空中抓捕器，在传统被动手爪的基础上，增加测量手爪位姿信息的IMU模块和测量目标信息的单目相机，增加调节位姿用的单轴滑轨/滑块机构和两个正反桨叶的小型涵道风扇，以及控制自动抓捕的主控模块；通过IMU模块和单目相机测量信息，然后根据测量信息进行计算，最后主控模块根据计算值对单轴滑轨/滑块机构和涵道风扇进行控制。本发明对慢速运动物体进行自主捕获，无人机无需精确测量并悬停目标上空，简化无人机负载设计。

技术领域

本发明涉及目标自主智能抓捕领域，尤其涉及一种基于系绳连接的目标智能自主空中抓捕器及控制方法。

背景技术

在无人机运输系统中，目前主要有直接在无人机上加装抓捕器、无人机加装机械臂、无人机吊挂系统三种方式。前两种方式无人机在捕获目标时需要使无人机悬停在离目标极近的区域，极大限制了无人机运输的应用场景。而无人机吊挂系统利用绳索的优势，可距离目标较远进行作业。因此，无人机吊挂系统得到了广泛的关注。

但无人机吊挂系统中，传统的末端抓捕器为一个被动手爪，没有自主能力。在重力的作用下，其在目标捕获过程中的位置控制完全依赖于无人机的位置控制，且在对慢速运动目标无抓捕能力。而无人机的位置控制存在一定误差，因此，在目标捕获过程中，多需要依赖人工辅助完成，增加了任务成本和任务过程中的危险性。

同样的问题出现在自动行吊系统中，吊车上端装置需要精确停靠在目标上方，且其目标捕获过程多依赖人工辅助完成。

针对此问题，本发明在原被动手爪的基础上，设计一种具有位姿自主调节能力的末端智能抓捕器，降低对上端机构位置停靠精度的依赖，且可实现对慢速运动目标的捕获。

首尔大学的Kim S J团队研究的可折叠伸缩的自锁型折纸机械臂，安装在无人机上之后可以在一定程度上实现远距离作业，但是折纸机械臂的自由度受限，只能沿竖直方向伸缩，因此对于无人机的位置控制精度要求较高，而且相较于绳索，折纸机械臂的作业距离仍然较短。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于系绳连接的智能空中抓捕器及控制方法。

技术方案

一种基于系绳连接的智能空中抓捕器，其特征在于包括单轴滑轨/滑块机构、正桨叶涵道风扇、反桨叶涵道风扇、抓捕手爪、单目相机、IMU模块及主控模块、抓捕器外部框架和系绳；所述的抓捕器外部框架为上下均有盖板的圆柱结构，在上盖板上安装单轴滑轨/滑块机构，系绳安装在单轴滑轨/滑块机构上并与无人机的连接，在下盖板的下表面安装抓捕手爪，在抓捕手爪的中心安装单目相机，在下盖板的上表面安装IMU模块及主控模块，在抓捕器外部框架的外侧对称安装正桨叶涵道风扇、反桨叶涵道风扇。

所述的单轴滑轨/滑块机构包括步进电机、联轴器、移动滑块、丝杆螺母、丝杆、光轴、光轴固定支架和丝杆固定支架；光轴通过光轴固定支架、丝杆通过丝杆固定支架固定安装在抓捕器外部框架的上盖板，步进电机通过连轴器与丝杆连接，丝杆通过丝杆螺母与移动滑块连接，光轴穿过移动滑块的左右侧孔，起到承力的作用。

一种基于系绳连接的智能空中抓捕器的控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：利用IMU模块当前抓捕器姿态角信息θ、γ，角速度信息ω_x、ω_y、ω_z，利用单目相机测量目标相对位置信息Δx、Δy；

步骤2：计算相对绝对距离信息Δl，期望的姿态角θ_e、γ_e：

步骤3：利用双通道的姿态控制器，计算姿态控制力矩M_y和M_z：