[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

说明书

本发明公开了一种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，其中，本发明提出期望可变阻抗动力学中阻抗曲线的稳定性约束条件；并引入命令轨迹变量，将阻抗控制问题转换成特殊的跟踪控制问题，构建出命令轨迹与期望轨迹之间的关系，从而基于设定的期望轨迹得到命令轨迹，利用空中作业机器人的实际动力变量获得位置误差、线速度误差；利用期望姿态与实际动力变量获得姿态误差以及角速度误差，最终利用可变阻抗位置控制器以及几何姿态控制器得到变阻抗控制力以及控制力矩。本发明技术方案的空中作业机器人在执行任务前先验保障期望可变阻抗动力学的指数稳定性，具有算法结构简单、实现成本低和鲁棒的交互作业能力等优点。

技术领域

本发明属于空中作业机器人控制技术领域，具体涉及一种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。

背景技术

对于空中交互作业任务，空中作业机器人与环境构成强耦合系统，难以实现稳定飞行作业。现有大多研究均考虑增益恒定的阻抗控制方法，用于空中作业机器人交互控制。然而，在许多实际运用中，将固定阻抗模型运用于空中作业机器人是保守的，并且还需要环境动力学知识来确定目标阻抗模型。与固定阻抗控制方法相比，可变阻抗控制是一种有效的方法，能在空中交互任务中调整模型参数并增强交互作业柔顺性和安全性。尽管已经有一些空中作业机器人可变阻抗控制的研究结果，但其控制系统的稳定性特性通常被忽略或者与系统状态有关。更坏的情况是，如果阻抗曲线任意变化，稳定性可能会消失。在交互检测运维作业中，亟需发展空中作业机器人相关的柔顺、安全交互作业能力，因此，如何保证稳定性的空中作业机器人可变阻抗控制是本发明所需要研究的。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种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，其目的是为了解决空中作业机器人可变阻抗控制技术缺乏稳定性的技术问题。其中，所述方法依托满足稳定性约束条件的期望可变阻抗动力学模型，基于期望轨迹得到命令轨迹，进而得到空中作业机器人的位置误差、线速度误差，实现了将阻抗控制问题转换为跟踪控制问题，确保了空中作业机器人在可变阻抗控制过程的稳定性。

基于此，本发明技术方案提供的一种稳定性约束下的空中作业机器人可变阻抗控制方法，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。

进一步可选地，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，其中，每个元素是有界的，即满足稳定性约束条件二以及稳定性约束条件三；

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。

进一步可选地，所述稳定性约束条件的目标是保障期望可变阻抗动力学稳定。本发明基于上述设定的稳定约束条件一至三，促使在额外扰动力为零的情况，期望可变阻抗动力学是指数稳定的；在额外扰动力有界的情况，期望可变阻抗动力学中的空中作业机器人位置、线速度和线加速度是有界的。

进一步可选地，所述期望可变阻抗动力学模型表示为：