[发明专利]稳定性约束下的空中作业机器人可变阻抗控制方法及系统

权利要求书

1.一种稳定性约束下的空中作业机器人可变阻抗控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

获取空中作业机器人的实际动力变量以及所述空中作业机器人的期望状态，其中，所述期望状态包括期望轨迹以及期望姿态；

利用所述期望轨迹以及构建的期望可变阻抗动力学模型得到命令轨迹，进而基于所述命令轨迹以及所述实际动力变量中的实际位置、实际线速度得到所述空中作业机器人的位置误差、线速度误差；

其中，所述期望可变阻抗动力学模型满足稳定性约束条件；

再基于所述位置误差、所述线速度误差以及构建的可变阻抗位置控制器得到变阻抗控制力；

利用所述期望姿态以及所述实际动力变量中的实际姿态、实际角速度得到姿态误差和角速度误差；

再利用所述姿态误差、所述角速度误差以及构建的几何姿态控制器得到控制力矩；

利用所述变阻抗控制力以及所述控制力矩控制所述空中作业机器人动作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述稳定性约束条件包括：

稳定性约束条件一：所述期望可变阻抗动力学模型中的期望惯性矩阵，期望时变阻尼矩阵和期望时变刚度矩阵均是正定且对角的；

稳定性约束条件二：存在一个正常数满足，，其中，定义和，，以及，均为自定义的变量符号；

稳定性约束条件三：存在正常数和满足，其中，自定义变量，为的一阶微分。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述期望可变阻抗动力学模型表示为：

；

其中，表示惯性坐标系下的线加速度，分别表示惯性坐标系的原点、三个坐标轴方向;为惯性坐标系的表示符号，，，分别表示期望惯性矩阵、期望时变阻尼矩阵和期望时变刚度矩阵；和分别表示位置和线速度，，和分别表示有界的期望位置、期望线速度和期望线加速度，所述期望轨迹表示所述有界的期望位置；为惯性坐标系下三个坐标轴方向的位置参数；记作额外扰动力，t为时间；

基于所述期望可变阻抗动力学模型，将阻抗控制问题转换为跟踪控制问题得到命令轨迹与期望轨迹的跟踪关系，如下：

；

；

其中，为自定义参数，和分别是命令轨迹的一阶及二阶微分，命令轨迹表示为：，T表示矩阵转置，表示命令轨迹对应在惯性坐标系上三个坐标轴方向的位置参数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述可变阻抗位置控制器如下：

；

其中，u为变阻抗控制力，和均是正定对角的常数矩阵增益，为正常数，、分别为位置误差和线速度误差，t为时间，为额外扰动力的估计值，为空中作业机器人的总质量，表示实数集，为重力常数，为设定的向量。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述几何姿态控制器表示为：

；

其中，和均是正定对角常数矩阵增益，为常数惯性矩阵，表示实数集，表示机体坐标系下的角速度，分别为机体坐标系下原点、三个坐标轴方向;为机体坐标系的表示符号，、分别为姿态误差、角速度误差；为额外力矩估计值，为控制力矩。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括利用额外力/力矩估计器计算额外扰动力估计值以及额外力矩估计值，所述额外扰动力估计值输入可变阻抗位置控制器，所述额外力矩估计值输入所述几何姿态控制器，其中，基于上一时刻的额外扰动力/额外力矩计算下一时刻的额外扰动力/额外力矩，所述额外力/力矩估计器表示为：

；

；

其中，为额外扰动力估计值，为额外力矩估计值，u为变阻抗控制力，、均为正定对角的常数增益，为空中作业机器人的总质量，为常数惯性矩阵，表示实数集，表示机体坐标系下的角速度，分别为机体坐标系下原点、三个坐标轴方向;为机体坐标系的表示符号，t为时间，为控制力矩，为重力常数，为设定的向量，表示惯性坐标系下的线加速度,分别表示惯性坐标系的原点、三个坐标轴方向;为惯性坐标系的表示符号。