[发明专利]一种基于冗余自由度利用的旋翼飞行机械臂协调运动规划方法

说明书

本发明提出一种基于冗余自由度利用的旋翼飞行机械臂协调运动规划方法，生成满足运动约束并最小化系统质心偏移的协调运动轨迹。首先建立机械臂的运动学模型，以及飞行机械臂的一体化运动学模型，计算对应的雅各比矩阵。根据四旋翼无人机的欠驱动性，将雅各比矩阵分解为可控部分与不可控部分。随后建立系统的质心偏移模型，计算对应的雅各比矩阵。利用分层二次规划框架，以飞行机械臂末端跟踪精度为优化目标，建立并求解一个二次规划问题；在此基础上，将质心偏移量纳入优化目标函数，建立并求解新的二次规划问题，得到满足末端目标跟踪性能且最小化质心偏移的参考运动轨迹。本发明适用用于目标捕获、设备操作等空中作业任务。

技术领域

本发明属于飞行机器人运动规划领域，具体涉及一种基于冗余自由度利用的旋翼飞行机械臂协调运动规划方法，适用于搭载机械臂进行主动操作任务的飞行机器人系统。

背景技术

近年来，一类由旋翼无人机和多自由度机械臂相结合而成的新型飞行机械臂系统受到了学术界与工业界的广泛关注。相较于广泛应用在航拍、巡检、测绘、植保等传统行业的旋翼无人机，旋翼飞行机械臂通常面向空中操作任务，旨在利用载荷实施自主操作，实现与外界环境的交互，进而实现从“察”到“察-作”一体的性能飞跃。旋翼飞行机械臂系统通常具有冗余自由度特性。旋翼无人机平台是一个六自由度刚体，当加装了n自由度机械臂之后，整个系统的自由度变成了6+n。当系统执行抓取任务时，机械臂末端只需要消耗3个自由度即可，此时会出现有无数种抓取姿态可供选择的情况。同时，机械臂的运动会造成整个系统在作业时的质心偏移，进而影响系统的控制精度以及飞行性能。此外，飞行机械臂执行作业任务时往往会受到运动约束，例如：无人机位置/速度约束、机械臂关节角度/角速度约束、末端位置/速度约束等。因此，为了提升系统的作业性能、提高作业任务的成功率，必须解决无人机平台与机械臂关节的协调运动规划问题，以期实现在保证末端位置情况下尽可能减小质心偏移，并且满足各类运动约束条件。

中国发明专利CN201810477920.0提出了一种携带冗余自由度机械臂的飞机器人系统设计方法。对于冗余度机械臂运动规划，该发明采用二次规划进行规划方案设计，但存在两个缺点：(1)未考虑无人机平台与机械臂的一体化运动规划。(2)二次规划的优化目标只选择了末端位姿，而未考虑调节质心偏移等其他优化目标。中国发明专利CN201810094313.6提出了一种基于动态重心补偿的旋翼飞行机械臂系统及算法，通过建立质心偏移计算模型，在控制系统中将质心偏移量进行提前补偿。但该发明未考虑在运动规划层尽可能减小质心偏移，保守性较强。

发明内容

针对现有技术发明中存在的问题，本发明提出一种基于冗余自由度利用的旋翼飞行机械臂协调运动规划方法，即考虑了无人机平台与机械臂的轨迹协调，同时也从规划层面满足各类任务的约束条件、最大程度地减小系统的质心偏移。

为达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种基于冗余自由度利用的旋翼飞行机械臂协调运动规划方法，包括以下步骤：

第一步、根据旋量理论与指数积公式，建立机械臂的运动学模型；

第二步、建立飞行机械臂的一体化运动学模型，计算相应的雅各比矩阵，将运动学模型分解为可控部分与不可控部分；

第三步、建立飞行机械臂的水平方向质心偏移模型，推导与质心偏移变化率对应的雅各比矩阵；

第四步、将机械臂末端轨迹跟踪精度与质心偏移量同时作为优化目标，建立并求解分层二次规划问题模型，得到满足末端目标跟踪性能且最小化质心偏移的飞行机械臂运动轨迹。

进一步地，所述第一步包括：

定义当机械臂位于初始位姿时，机械臂第i关节的运动旋量ξ_i：