申请/专利权人：福州大学

申请日：2022-07-27

公开（公告）日：2024-06-28

公开（公告）号：CN115229792B

主分类号：B25J9/16

分类号：B25J9/16;B64U10/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.28#授权;2022.11.11#实质审查的生效;2022.10.25#公开

摘要：本发明涉及一种飞行作业机器人动态抓取的终端滑模自适应控制方法，包括以下步骤：步骤S1：考虑重心偏移以及动态抓取过程中受力和力矩，建立四旋翼无人机和二自由度机械臂整体动力学模型；步骤S2：通过对机载机械臂末端与物体瞬时接触力分析，计算出机机载机械臂末端受到的瞬时接触力；步骤S3：设计终端滑模自适应控制器，得到输出；步骤S4：通过升力、翻滚力矩、俯仰力矩、偏航力矩解算出四个旋翼的转速ωi，i=1,2,3,4；步骤S5：通过解算得到的数据，控制飞行作业机器人。应用本技术方案可实现加强动态抓取过程中的控制精度，能够有效减弱动态抓取接触对飞行作业机器人系统产生的扰动影响，提高飞行作业机器人系统的飞行安全性。

主权项：1.一种飞行作业机器人动态抓取的终端滑模自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：考虑重心偏移以及动态抓取过程中受力和力矩，建立四旋翼无人机和二自由度机械臂整体动力学模型；步骤S2：通过对机载机械臂末端与物体瞬时接触力分析，计算出机载机械臂末端受到的瞬时接触力fm；步骤S3：基于所构建的动力学和瞬时接触力模型，设计终端滑模自适应控制器，得到输出u；步骤S4：通过升力f、翻滚力矩u4、俯仰力矩u5、偏航力矩u6解算出四个旋翼的转速ωi，i＝1,2,3,4；步骤S5：通过解算得到的数据ωi，控制飞行作业机器人；所述步骤S2具体为：步骤S21:首先建立飞行作业机器人动力学模型，联立四旋翼无人机动力学和二自由度机械臂动力学模型，定义以及它的导数则飞行作业机器人的动力学模型表示为： 其中，Hx1＝diagmuI3×3,JT-1Φb,Mmq表示为飞行作业机器人系统的惯性矩阵，I3×3是单位矩阵；Cx1,x2表示离心力和科氏力矢量，Gx1表示重力矢量；d表示抓取时的接触力建模以及动力学建模误差；JE＝[JEu,JEm]T表示机械手末端受力传递到机械臂各个关节以及飞行器的雅可比矩阵； u＝[υ1,υ2,υ3,u4,u5,u6,τ1,τ2]T表示广义输入；其中，υ1,υ2,υ3是虚拟输入量，它表示为: 虚拟矢量由位置控制器的输出生成；通过虚拟矢量，飞行平台的总升力和期望翻滚、俯仰角计算如下： 步骤S22：采用积分变换可以得到冲量，式1的积分表示为： 其中，t0表示接触开始时间，Δt表示接触时间同样，被抓取物体的冲量表示为： 其中，ms表示被抓取物体的质量，ξm＝[xm,ym,zm]T为所抓取物体的位移；步骤S23：由于动态抓取时接触时间较短，假设此时仅有广义速度和广义加速度发生突变；因此等式4和5写为： 其中，pm是Δt时间内的冲量；步骤S24：由碰撞后机械臂末端执行器与对象接触后的速度相同，借助此等式关系得到瞬时接触力模型；两者的等式关系表达如下： 其中，JV是飞行作业机器人的速度矢量传递到机械臂末端执行器速度矢量的雅可比矩阵，通过以下方法计算；JV＝[I3×3,RBPx,RBPq]8其中，将式7和8代入6，冲量pm表示为： 因此，瞬时接触力表示为 步骤S25:式1改写成: 其中，所述步骤S3具体为：步骤S31:首先对式11进行改写： 其中：Gsx＝H-1x1；步骤S32：飞行器和机载机械臂的联合控制存在控制器饱和，表示为u＝satuc13其中，uc表示所需的控制输入；饱和函数定义为：satuc＝signumin{umax,|u|}14步骤S33：因此，式12改写为如下形式： 其中，Γ＝Gsxd，Δu＝satuc-uc；步骤S34：定义如下非奇异终端滑模面： 其中，e0＝x1-x1d表示跟踪误差向量，表示误差向量的速率，β是对角正定矩阵，q和p是奇数正整数，它们满足下列条件：1＜qp＜217；步骤S35:设计一阶滤波模型如下： 其中，Nf＝[φd,θd]则终端滑模函数改写为 其中，L＝N-Nf为滤波误差，e＝e0+L；步骤S36：对滑模面s求导并使用式15得到： 步骤S37：设计终端滑模自适应控制器：uc＝u1+u221，其中， 其中，p2和q2是正整数，1＜q2p2＜2，q3是正奇数整数，p3＜q3，k0和k1是正常数，K2，K3和K4是对角正定矩阵；步骤S38：设计表示Γ的估计值，自适应律如下 其中，K是正常数；步骤S39：从以下辅助系统获得23中的变量ζ以补偿输入饱和 其中，其中，b1，b2，b3和ζ0是正常数，p1和q1是正奇整数，1＜q1p1＜2。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 福州大学 一种飞行作业机器人动态抓取的终端滑模自适应控制方法

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