接触作业型旋翼飞行机器人建模与控制
文献类型：学位论文
| 作者 | 孟祥冬
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| 答辩日期 | 2019-11-25 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 韩建达 |
| 关键词 | 旋翼飞行机械臂 接触作业 接触力控制 阻抗控制 混合力/位置控制 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 模式识别与智能系统 |
| 其他题名 | Modeling and Control of Rotorcraft Aerial Manipulator Systems in Contact Operation Process |
| 英文摘要 | 旋翼飞行机器人在过去几十年间的发展已经取得显著的成果，集中应用在空中观测、农业植保、货物运送、编队表演等这类非对外部环境接触的领域。近几年，具有持续接触作业能力的旋翼飞行机械臂系统（由旋翼飞行机器人和机器人操作手臂构成），极大地激发了科研人员的研究热情；它们能够在观测的同时还可以对外进行主动操作，进行一些诸如桥梁损伤检查、工厂油罐检测维修、乔木树冠层标本采集等复杂的任务。接触作业型飞行机械臂系统作为新一代的空中飞行机器人，在研究中也一直面临诸多问题。常规旋翼飞行机器人动力学本身具有非线性、强耦合、欠驱动的特点，且系统对外部扰动十分敏感；对于以此为平台的飞行机械臂也固然具有这些特性。加装机械臂之后，整个飞行器就变成了典型的多刚体系统，与环境接触进行作业任务时，就给整体飞行机械臂系统的建模和控制带来很大挑战，尤其是末端接触作业时的动态力跟踪和移动接触作业时的恒定力保持等问题。本文针对以上问题展开深入研究，主要内容包括飞行机械臂系统的模型建立与分析，基于阻抗控制方法控制接触力，基于逆动力学的混合力/位置控制以及旋翼飞行机械臂系统设计与开发。具体研究内容如下：首先，提出了基于闭环系统再建模的方法。先为旋翼飞行器设计控制器，得到一个稳定的闭环系统；从理论上证明闭环飞行机器人系统在受到外部力作用下，其位置变动与所施加外力之间关系类似于质量-弹簧-阻尼系统动力学一致的动态特性。这种建模方法可以保证执行作业任务时的飞行器自身稳定性，并且避免了直接使用大系统建模方法导致的系统模型高度复杂和严重耦合。然后，通过分析飞行机械臂系统接触作业的特性，结合旋翼飞行机器人欠驱动特点及其接触作业的方式，对动态接触力平衡状态进行求解，明确接触力与自身系统状态参数的对应关系。其次，将常规的阻抗控制方法直接在飞行器系统上实现，通过实际飞行实验对该方法的效果进行研究，并分析本方法存在的局限性。在此基础上，提出了基于系统逆动力学的接触力控制方法。进一步为满足飞行机械臂系统在接触移动作业过程中对力和运动控制的需求，提出了一个混合力/位置的控制框架，以解决飞行机械臂系统接触环境作业时力和运动控制的问题。最后，开发了一系列用于空中接触操作的旋翼飞行机械臂系统，并将所研究理论方法在系统上实现，进行实际飞行接触作业的实验研究，包括针对理论验证的飞行实验和对空中作业应用研究的探索性实验，并对各个实验的过程及对应结果进行了分析。本文的研究工作包含接触作业型飞行机械臂系统的模型建立、动态接触力跟踪控制、移动接触作业的混合力/位置控制以及系统开发和空中飞行接触作业的实验研究。仿真和实际飞行结果证实了所研发接触作业型飞行机械臂系统的综合性能以及所提出方法的有效性。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 133页 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/25934]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_机器人学研究室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 孟祥冬. 接触作业型旋翼飞行机器人建模与控制[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2019. |
入库方式： OAI收割
来源：沈阳自动化研究所
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