CN106347650B - 一种纵列双涵道式飞行机器人及其动力学协同控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人飞行器技术领域，公开了一种纵列双涵道式飞行机器人及其动力学协同控制方法，并基于此提出了一种飞行器与机械臂整体动力学建模与协同控制策略，控制时不再将机械臂的作用力视为飞行器受到的扰动而对机械臂与飞行器分别控制，而是将整个飞行机器人平台视为一个完整的动力学系统，飞行器通过位置控制参与机械臂末端位姿的调节，机械臂通过运动引起重心的改变和关节扭矩，产生相应力矩辅助飞行器姿态的控制。所述飞行机器人可以实现自主悬停与环境交互，并具有空间尺寸小、有效载荷大、可通过性与可接触性强、控制响应灵敏度高、系统稳定性与鲁棒性大幅改善等优点。
Description
技术领域
本发明涉及无人飞行器技术领域，尤其涉及一种纵列双涵道式飞行机器人及其动力学协同控制方法。
背景技术
传统的无人飞行器只能与物理环境间产生信息交互，通过配备的摄像云台、传感器等进行信息采集工作。随着无人飞行器的发展，能够与环境进行物理接触与交互、对所处环境施加主动影响的新型飞行机器人平台的优势日益突显，从而在以下3个方面产生巨大的应用前景：1.在广域无人科考、环境监测及灾害评估中，完成样品采集等任务；2.针对城市反恐、城市救援等特殊环境，代替人进行危险作业；3.完成复杂环境中的基础设施检测与维修、墙体探伤、阀门远程操作等任务。
飞行机器人平台是一种新型空中平台，基本形式为在可悬停飞行器平台上加装操作机构，从而使其具有在三维复杂环境中的主动操作能力。目前，已有一些飞行机器人的构想被提出。申请号为201510876819.9的发明专利提出了一种拆取鸟窝无人机，其主体为直升机，并在机体正下方配备机械臂用于鸟窝的拆取；申请号为201020163658.1的实用新型专利提出了一种四旋翼飞行抓捕手，申请号为201320135704.0的实用新型专利提出了一种空中辅助智能救援系统，其主体均为四旋翼，并在机体下方配备单自由度机械抓；在此以四旋翼为主体的结构前提下，申请号为201510490697.X的发明专利提出了一种带有多旋翼无人机的机械臂，申请号为201510960261.2的发明专利提出了一种应用于定点巡视与带电清理平台的装置，申请号为201510884448.9的发明专利提出了一种装备机械臂的无人机，申请号为201510330767.5的发明专利提出了一种基于视觉和力反馈的四旋翼飞行器进行空中抓取作业的控制方法，四者均采用3 自由度机械臂代替单自由度机械抓，从而能够完成更复杂的抓取工作，扩展了“飞行器机械臂”系统的应用场景。
目前几乎所有的飞行机器人平台均以四旋翼作为主体，采用在已有四旋翼上直接加装机械臂的方式，对飞行器与机械臂利用两套控制器分别进行控制，一边控制飞行器实现悬停，一边控制机械臂完成所需操作，并将机械臂运动与物体抓取过程中机械臂的受力作为扰动引入到飞行器的飞行控制中加以抵消。这种飞行机器人平台有两个主要缺点：一是四旋翼、直升机等飞行器由于自身结构原因，飞行时必须保证足够空旷的环境。复杂的环境(如墙壁等)和狭小的空间(如建筑物夹缝等)会对其旋翼产生剧烈干扰，从而发生失稳现象，严重时甚至打桨坠机。而飞行机器人平台的核心恰恰在于与环境进行物理接触与交互，这与飞行器稳定飞行所需的空旷环境必然产生不可调和的矛盾，也表明传统的四旋翼和直升机不适合作为飞行机器人平台的载体。二是将飞行器与机械臂分开考虑，将机械臂单纯看作负载，将机械臂的作用力视为外界扰动，并通过飞行器本身的控制加以抵消的控制方法使得系统的稳定性差。加装n自由度机械臂后因增加的n个执行机构而增加的通道维度本来有利于原有欠驱动系统的控制稳定性，然而由于其在控制上没有得到充分利用，反而对控制稳定性造成了不利影响。此外，这种控制方法只适用于机械臂与所操作物体的质量远远小于飞行器自重的情况。当机械臂与飞行器质量处于同一数量级时，其所带来的作用力已无法通过飞行器自身的控制鲁棒性解决。而飞行器自重远大于机械臂的要求，既产生了由于飞行器本身过大而限制了使用环境的问题，又产生了机械臂所能操作的物体太小太轻、不实用的缺陷，大大约束了飞行机器人平台的应用。
发明内容
本发明旨在提供一种纵列双涵道式飞行机器人及其动力学协同控制方法，很好的解决了上述问题，提出了一种纵列双涵道结构的新型飞行机器人平台，并基于此提出了一种飞行器与机械臂整体动力学建模与协同控制策略，控制时不再将机械臂的作用力视为飞行器受到的扰动而对机械臂与飞行器分别控制，而是将整个飞行机器人平台视为一个完整的动力学系统，飞行器通过位置控制参与机械臂末端位姿的调节，机械臂通过运动引起重心的改变和关节扭矩，产生相应力矩辅助飞行器姿态的控制。所述飞行机器人可以实现自主悬停与环境交互，并具有空间尺寸小、有效载荷大、可通过性与可接触性强、控制响应灵敏度高、系统稳定性与鲁棒性大幅改善等优点。
本发明的技术方案是一种纵列双涵道式飞行机器人，包括机身、连接机身两端对称设置的两个涵道，所述涵道内均安装有旋翼系统，所述机身上部安装有主控制系统，所述机身底部安装有机械臂，
进一步的，所述旋翼系统包括共同固定在涵道中间的底板上下两方的上旋翼机构和下旋翼机构，所述底板通过主梁接头安装在机身上，所述上旋翼机构包括上桨毂、上桨夹、上桨叶、上变距拉杆、上倾斜盘、上变距拨叉、上支架、上电机，所述上支架固定在底板上部，所述上支架上部与上变距拨叉活动连接，所述上变距拨叉上安装有上倾斜盘，所述上桨毂通过上桨夹固定有上桨叶，所述上电机带动上桨毂转动，所述上桨夹通过上变距拉杆与上倾斜盘连接，所述上电机固定在底板上部，所述下旋翼机构包括下桨毂、下桨夹、下桨叶、下变距拉杆、下倾斜盘、下变距拨叉、下支架、下电机，所述下支架固定在底板下部，所述下支架下部与下变距拨叉活动连接，所述下变距拨叉上安装有下倾斜盘，所述下桨毂通过下桨夹固定有下桨叶，所述下电机带动下桨毂转动，所述下桨夹通过下变距拉杆与下倾斜盘连接，所述下电机固定在底板下部，所述上电机与下电机对置安装，所述上电机与下电机旋向相反，所述底板上通过上舵机架和下舵机架还固定安装有变距舵机，所述变距舵机上设置有变距舵机摇臂，所述变距舵机摇臂通过舵机拉杆与上变距拨叉相连，所述上变距拨叉通过变距拉杆与下变距拨叉连接。
进一步的，所述机械臂通过机械臂底板与机身固定连接，所述机械臂包括上臂、中臂、下臂和机械爪，所述上臂一端通过关节A和关节B与机械臂底板下部连接，所述上臂另一端通过关节C与中臂上端连接，所述中臂下端通过关节D与下臂上端连接，所述下臂下端通过关节E与机械爪连接，所述机械爪上设置有关节F，所述关节A、关节B、关节C、关节D、关节E、关节F 分别与相应的舵机驱动连接。
进一步的，所述主控制系统包括传感系统、控制系统、旋翼系统和机械臂系统，所述控制系统包括控制器、舵机控制板，所述传感系统包括安装于机身上的陀螺仪/组合惯导和摄像头、安装于旋翼系统上的编码器、安装于机械臂末端的机械爪上的力传感器，所述陀螺仪/组合惯导用于测量飞行机器人位置、线速度、加速度、姿态角、姿态角速度、姿态角加速度及高度信息，所述摄像头采集目标位置信息，保证机械臂的精确定位，所述编码器采集旋翼系统转速信息，所述力传感器在机械臂与环境进行接触交互的过程中反馈力与力矩信号，所述传感系统将采集到的信息实时传递给控制器，所述控制器进行解算与控制工作，所述控制器将控制量传递给舵机控制板，所述舵机控制板驱动旋翼系统和机械臂系统的执行机构完成相应作动，所述控制器与地面站通过数传实时交互，从而通过地面站对控制器进行控制和获取信息。
进一步的，所述陀螺仪/组合惯导采用SBG公司的IG-500N，所述控制器为CCG010，所述舵机控制板为UAV100，所述上电机、下电机共四个统称旋翼电机，所述旋翼电机型号为ML5210，所述变距舵机共2个型号为KST-X20，所述机械臂关节A、关节B、关节C、关节D、关节E、关节F的舵机共6个型号为KST-589MG，所述数传选用Xbee品牌的P9B型号。
还提供了一种纵列双涵道式飞行机器人动力学协同控制方法，包括步骤：
a.建立飞行机器人整体动力学方程；
b.采用控制器对飞行机器人的飞行器部分和机械臂部分进行协调控制。
进一步的，所述整体动力学方程包括，对整个飞行机器人建立坐标系，其中* NED表示地面坐标系，原点位于地表飞行机器人初始位置点，ZNED坐标轴垂直于地表且指向地心，XNED坐标轴指向正北方向，YNED坐标轴指向正东方向；*body表示机体坐标系，原点处于飞行机器人的重心位置，Xbody轴沿纵向指向飞行机器人前方，Ybody轴与机身轴向垂直，指向飞行机器人右侧，Zbody轴满足右手坐标系准则；将飞行机器人机体看作机械臂的基座，即连杆0，根据D-H法建立每个关节处的坐标系，坐标系{i}的Zi轴与关节轴i共线，Xi轴从关节i指向关节i+1，Yi轴由右手定则确定；
其中，地面坐标系与机体坐标系的转换矩阵为：
机械臂相邻连杆坐标系间的转换矩阵为：
然后建立飞行机器人牛顿-欧拉动力学方程：
式中，mb为飞行机器人质量，Ib为飞行机器人惯量，Fg为系统所受重力， Fb和Mb为整机气动力与气动力矩，Fm和Mm为机械臂运动时产生的力与力矩；
系统所受重力表示为：
Fg＝mbg·[-sinθsinφcosθcosφcosθ]T，
整机气动力与气动力矩为：
式中，Δfront和Δrear分别表示前后涵道的共轴旋翼，Δfus为机身气动阻力，Δgyro为陀螺力矩，Δpitch表示由涵道产生的附加俯仰力矩；
机械臂运动时作用于机体上的力与力矩为：
上式中的力与力矩从机械臂末端连杆向基座进行迭代求解，即
其中，
进一步的，所述控制器为级联式控制结构，外环对机械臂进行逆运动学解算得到参考运动，内环包括飞行器与机械臂的位置耦合控制和姿态耦合控制，实现对参考运动的跟踪。
进一步的，所述控制器的控制策略为，控制系统的参考输入为飞行机器人机械臂末端的目标位置与期望姿态，系统外环根据参考输入和传感器测得的系统输出状态量ξ(qi表示机械臂关节i的位置坐标)、进行逆运动学解算，得到飞行器系统与机械臂各关节的位置控制的参考状态量ζr(ζr＝[xr yr zrψr qir])、结合测得的实际状态量，通过飞行系统位置控制器和机械臂系统控制器进行动力学协同控制，得到所需飞行系统控制力Ffly-system和机械臂系统关节控制转矩τ，使飞行器与机械臂协同作动，飞行器飞到指定位置的合理范围内，再进一步驱动机械臂精确定位，从而使机械臂末端到达空间中的期望方位；根据姿态控制额外所需的参考状态量和θr，以及测得的实际状态量，通过飞行系统姿态控制器和机械臂系统控制器进行协同控制，得到所需飞行系统控制力矩Mfly-system和机械臂系统关节控制转矩τ作为飞行系统控制输入和机械臂系统控制输入，通过四个旋翼的转速差和周期变距进行姿态控制，同时机械臂通过产生的关节扭矩和引起的重心改变得到控制力矩，辅助飞行器姿态的控制。
进一步的，整个系统考虑飞行系统执行机构动力学和机械臂系统执行机构动力学，将控制指令发送给相应的各执行器，继而使整个飞行机器人综合动力学系统实现期望的响应，所述飞行机器人综合动力学系统考虑了外界环境产生的扰动和传感器的测量噪声。
本发明的有益效果是：针对以上已有飞行机器人平台的缺陷，本发明提出了一种纵列双涵道式飞行机器人动力学协同控制方法。所述纵列双涵道式飞行机器人的主体由涵道、旋翼系统、控制系统、机身、机械臂五部分组成，可实现自主悬停和与环境进行物理交互。采用纵列双涵道的结构形式，创造性地将直升机中的共轴反旋、周期变距结构引入到旋翼飞行器中，并且由于纵列双涵道式结构的独特优势，旋翼不需要独立的全周期变距，因此大大简化了机械结构，仅采用一个变距舵机实现一个涵道内上下旋翼滚转单通道同步变距，大幅提升系统可靠性。与传统开放式旋翼直升机和四旋翼飞行器相比横向尺寸大幅压缩，在提供相同升力和性能的基础下空间尺寸大大缩小，所需起飞面积减小，空中可通过性增强，而且可以近距离接触墙壁等障碍物，不需要空旷的空间，特别适用于狭窄街道与小巷的穿行和贴壁情况下的物理操作。涵道的使用改变了旋翼周围的流场，使飞行器具备了近距离接触障碍物的能力；增加了旋翼拉力，提高了有效载荷与拉力储备；同时，整机安全性提高，有效避免了打桨坠机等事故。基于纵列双涵道式飞行机器人结构，所述动力学协同控制方法提出了一种飞行器与机械臂整体动力学建模与协同控制策略，控制时不再将机械臂的作用力视为飞行器受到的扰动而对机械臂与飞行器分别控制，而是将整个飞行机器人平台视为一个完整的动力学系统，让机械臂系统主动参与姿态动力学控制而非仅视为负载，飞行器通过位置控制参与机械臂末端位姿的调节，机械臂通过运动引起重心的改变和关节扭矩，产生相应力矩辅助飞行器姿态的控制。这种协同控制方法提高了系统控制响应的灵敏度，增强了系统能控性和鲁棒性，并且适用于机械臂与飞行器质量相当的情况，有助于减小飞行器体积，增加机械臂有效载荷，大大扩展了飞行机器人的应用范围。
附图说明
图1为本发明飞行机器人结构示意图；
图2为本发明旋翼系统结构示意图；
图3为本发明机械臂结构示意图；
图4为本发明主控制系统框图；
图5为本发明飞行机器人坐标系示意图；
图6为本发明控制方法框图；
图中：1.涵道，2.旋翼系统，3.控制系统，4.机身，5.机械臂，21.上桨毂， 22.上桨夹，23.上桨叶，24.上变距拉杆，25.上倾斜盘，26.上变距拨叉，27.上支架，28.上电机，29.主梁接头，210.上舵机架，211.底板，212.下舵机架，213. 下桨毂，214.下桨夹，215.下桨叶，216.下变距拉杆，217.下倾斜盘，218.下变距拨叉，219.下支架，220.下电机，221.变距舵机，222.变距舵机摇臂，223.舵机拉杆，224.变距拉杆，51.机械臂底板，52.关节A舵机，53.关节B舵机，54. 关节C舵机，55.关节D舵机，56.关节E舵机，57.关节F舵机，58.机械爪。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图1-4所示，本发明提供了一种纵列双涵道式飞行机器人，包括机身4、连接机身4两端对称设置的两个涵道1，所述涵道1内均安装有旋翼系统2，所述机身4上部安装有主控制系统3，所述机身4底部安装有机械臂5。
旋翼系统2包括共同固定在涵道1中间的底板211上下两方的上旋翼机构和下旋翼机构，所述211底板通过主梁接头安装在机身4上，所述上旋翼机构包括上桨毂21、上桨夹22、上桨叶23、上变距拉杆24、上倾斜盘25、上变距拨叉26、上支架27、上电机28，所述上支架27固定在底板211上部，所述上支架27上部与上变距拨叉26活动连接，所述上变距拨叉26上安装有上倾斜盘25，所述上桨毂21通过上桨夹22固定有上桨叶23，所述上电机28带动上桨毂21转动，所述上桨夹22通过上变距拉杆24与上倾斜盘25连接，所述上电机28固定在底板211上部，所述下旋翼机构包括下桨毂213、下桨夹214、下桨叶215、下变距拉杆216、下倾斜盘217、下变距拨叉218、下支架219、下电机220，所述下支架219固定在底板211下部，所述下支架219下部与下变距拨叉218活动连接，所述下变距拨叉218上安装有下倾斜盘217，所述下桨毂213通过下桨夹214固定有下桨叶215，所述下电机220带动下桨毂213 转动，所述下桨夹215通过下变距拉杆216与下倾斜盘217连接，所述下电机 220固定在底板211下部，所述上电机28与下电机220对置安装，所述上电机 28与下电机220旋向相反，所述底板211上通过上舵机架210和下舵机架212 还固定安装有变距舵机221，所述变距舵机221上设置有变距舵机摇臂222，所述变距舵机摇臂222通过舵机拉杆223与上变距拨叉26相连，所述上变距拨叉26通过变距拉杆224与下变距拨叉218连接。
机械臂5通过机械臂底板51与机身4固定连接，所述机械臂包括上臂、中臂、下臂和机械爪58，所述上臂一端通过关节A和关节B与机械臂底板51 下部连接，所述上臂另一端通过关节C与中臂上端连接，所述中臂下端通过关节D与下臂上端连接，所述下臂下端通过关节E与机械爪连接，所述机械爪 58上设置有关节F，所述关节A、关节B、关节C、关节D、关节E、关节F 分别与相应的关节A舵机52、关节B舵机53、关节C舵机54、关节D舵机 55、关节E舵机56、关节F舵机57驱动连接。
主控制系统包括传感系统、控制系统、旋翼系统和机械臂系统，所述控制系统包括控制器、舵机控制板，所述传感系统包括安装于机身上的陀螺仪/组合惯导和摄像头、安装于旋翼系统上的编码器、安装于机械臂末端的机械爪上的力传感器，所述陀螺仪/组合惯导用于测量飞行机器人位置、线速度、加速度、姿态角、姿态角速度、姿态角加速度及高度信息，所述摄像头采集目标位置信息，保证机械臂的精确定位，所述编码器采集旋翼系统转速信息，所述力传感器在机械臂与环境进行接触交互的过程中反馈力与力矩信号，所述传感系统将采集到的信息实时传递给控制器，所述控制器进行解算与控制工作，所述控制器将控制量传递给舵机控制板，所述舵机控制板驱动旋翼系统和机械臂系统的执行机构完成相应作动，所述控制器与地面站通过数传实时交互，从而通过地面站对控制器进行控制和获取信息。
陀螺仪/组合惯导采用SBG公司的IG-500N，所述控制器为CCG010，所述舵机控制板为UAV100，所述上电机、下电机共四个统称旋翼电机，所述旋翼电机型号为ML5210，所述变距舵机共2个型号为KST-X20，所述机械臂关节 A、关节B、关节C、关节D、关节E、关节F的舵机共6个型号为KST-589MG，所述数传选用Xbee品牌的P9B型号。
基于提出的纵列双涵道式飞行机器人结构，本发明还提供了一种纵列双涵道式飞行机器人动力学协同控制方法，涉及飞行器与机械臂整体动力学建模与协同控制策略。区别于对飞行器与机械臂分别控制的现有技术方案，本发明的控制系统不再将机械臂的作用力视为飞行器受到的扰动，而是将整个飞行机器人平台视为一个完整的动力学系统，飞行器通过位置控制参与机械臂末端位姿的调节，机械臂通过运动引起重心的改变和关节扭矩，产生相应力矩辅助飞行器姿态的控制。
以上协同控制的过程可以通过仿生学进行简单形象的描述。飞行器与机械臂的协同控制，可以类比为人摔倒时的身体调节过程，人的身体视为飞行器系统，胳膊视为机械臂系统。当人想要与环境交互，如抓取某一物品时，首先通过身体走到目标物体旁边，然后通过胳膊精确定位并抓取物体，在抓取过程中，根据实际情况，身体位置也会不断进行调节，这与现有技术“先悬停、再抓取”的策略有本质不同。当人因为外界扰动而将要摔倒时，除了腰部用力对身体进行平衡外，胳膊也会进行一些甩动等动作从而辅助平衡的保持，这可以类比于飞行器姿态调节过程中机械臂的作用。同样，这与现有技术“将机械臂视为负载，将机械臂作用力视为扰动”的策略有本质不同。类似的，松鼠对尾巴的利用，鹰高速前飞抓鱼时两腿先前伸，抓到鱼后再后摆等现象均可以作为这种协同控制策略的阐释。
所述纵列双涵道式飞行机器人的控制原理为：前后两个涵道内的四个桨盘提供机体升力，通过前后旋翼的转速差产生俯仰方向的力矩控制机体的俯仰通道，通过四个旋翼的横向周期变距产生滚转方向的力矩控制机体的滚转通道，通过每个涵道内上下两个桨盘旋向相反产生的扭矩差控制机体的偏航通道，进而实现机体的姿态控制。当前涵道旋翼转速降低，后涵道旋翼转速升高时，机体产生向前的作用力实现前飞。同时，机械臂也参与姿态的辅助控制。
基于此原理提出的动力学协同控制方法，包括步骤：
a.建立飞行机器人整体动力学方程；
b.采用控制器对飞行机器人的飞行器部分和机械臂部分进行协调控制。
如图5所示，整体动力学方程包括，对整个飞行机器人建立坐标系，其中* NED表示地面坐标系，原点位于地表飞行机器人初始位置点，ZNED坐标轴垂直于地表且指向地心，XNED坐标轴指向正北方向，YNED坐标轴指向正东方向；* body表示机体坐标系，原点处于飞行机器人的重心位置，Xbody轴沿纵向指向飞行机器人前方，Ybody轴与机身轴向垂直，指向飞行机器人右侧，Zbody轴满足右手坐标系准则；将飞行机器人机体看作机械臂的基座，即连杆0，根据D-H法建立每个关节处的坐标系，坐标系{i}的Zi轴与关节轴i共线，Xi轴从关节i指向关节i+1，Yi轴由右手定则确定；
其中，地面坐标系与机体坐标系的转换矩阵为：
机械臂相邻连杆坐标系间的转换矩阵为：
然后建立飞行机器人牛顿-欧拉动力学方程：
式中，mb为飞行机器人质量，Ib为飞行机器人惯量，Fg为系统所受重力， Fb和Mb为整机气动力与气动力矩，Fm和Mm为机械臂运动时产生的力与力矩；
系统所受重力表示为：
Fg＝mbg·[-sinθsinφcosθcosφcosθ]T，
整机气动力与气动力矩为：
式中，Δfront和Δrear分别表示前后涵道的共轴旋翼，Δfus为机身气动阻力，Δgyro为陀螺力矩，Δpitch表示由涵道产生的附加俯仰力矩；
机械臂运动时作用于机体上的力与力矩为：
上式中的力与力矩从机械臂末端连杆向基座进行迭代求解，即
其中，
如图6所示，控制器为级联式控制结构，外环对机械臂进行逆运动学解算得到参考运动，内环包括飞行器与机械臂的位置耦合控制和姿态耦合控制，实现对参考运动的跟踪。控制器的控制策略为，控制系统的参考输入为飞行机器人机械臂末端的目标位置与期望姿态，系统外环根据参考输入和传感器测得的系统输出状态量ξ(qi表示机械臂关节i的位置坐标)、进行逆运动学解算，得到飞行器系统与机械臂各关节的位置控制的参考状态量ζr(ζr＝[xryr zrψr qir])、结合测得的实际状态量，通过飞行系统位置控制器和机械臂系统控制器进行动力学协同控制，得到所需飞行系统控制力Ffly-system和机械臂系统关节控制转矩τ，使飞行器与机械臂协同作动，飞行器飞到指定位置的合理范围内，再进一步驱动机械臂精确定位，从而使机械臂末端到达空间中的期望方位。根据姿态控制额外所需的参考状态量和θr，以及测得的实际状态量，通过飞行系统姿态控制器和机械臂系统控制器进行协同控制，得到所需飞行系统控制力矩Mfly-system和机械臂系统关节控制转矩τ作为飞行系统控制输入和机械臂系统控制输入，通过四个旋翼的转速差和周期变距进行姿态控制，同时机械臂通过产生的关节扭矩和引起的重心改变得到控制力矩，辅助飞行器姿态的控制。
整个系统考虑飞行系统执行机构动力学和机械臂系统执行机构动力学，将控制指令发送给相应的各执行器，继而使整个飞行机器人综合动力学系统实现期望的响应，所述飞行机器人综合动力学系统考虑了外界环境产生的扰动和传感器的测量噪声。
本发明提出了一种纵列双涵道结构的新型飞行机器人平台，并基于此提出了一种飞行器与机械臂整体动力学建模与协同控制策略，控制时不再将机械臂的作用力视为飞行器受到的扰动而对机械臂与飞行器分别控制，而是将整个飞行机器人平台视为一个完整的动力学系统，飞行器通过位置控制参与机械臂末端位姿的调节，机械臂通过运动引起重心的改变和关节扭矩，产生相应力矩辅助飞行器姿态的控制。所述飞行机器人可以实现自主悬停与环境交互，并具有空间尺寸小、有效载荷大、可通过性与可接触性强、控制响应灵敏度高、系统稳定性与鲁棒性大幅改善等优点。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种纵列双涵道式飞行机器人，其特征在于：包括机身、连接机身两端对称设置的两个涵道，所述涵道内均安装有旋翼系统，所述机身上部安装有主控制系统，所述机身底部安装有机械臂；所述旋翼系统包括共同固定在涵道中间的底板上下两方的上旋翼机构和下旋翼机构，所述底板通过主梁接头安装在机身上，所述上旋翼机构包括上桨毂、上桨夹、上桨叶、上变距拉杆、上倾斜盘、上变距拨叉、上支架、上电机，所述上支架固定在底板上部，所述上支架上部与上变距拨叉活动连接，所述上变距拨叉上安装有上倾斜盘，所述上桨毂通过上桨夹固定有上桨叶，所述上电机带动上桨毂转动，所述上桨夹通过上变距拉杆与上倾斜盘连接，所述上电机固定在底板上部，所述下旋翼机构包括下桨毂、下桨夹、下桨叶、下变距拉杆、下倾斜盘、下变距拨叉、下支架、下电机，所述下支架固定在底板下部，所述下支架下部与下变距拨叉活动连接，所述下变距拨叉上安装有下倾斜盘，所述下桨毂通过下桨夹固定有下桨叶，所述下电机带动下桨毂转动，所述下桨夹通过下变距拉杆与下倾斜盘连接，所述下电机固定在底板下部，所述上电机与下电机对置安装，所述上电机与下电机旋向相反，所述底板上通过上舵机架和下舵机架还固定安装有变距舵机，所述变距舵机上设置有变距舵机摇臂，所述变距舵机摇臂通过舵机拉杆与上变距拨叉相连，所述上变距拨叉通过变距拉杆与下变距拨叉连接；所述机械臂通过机械臂底板与机身固定连接，所述机械臂包括上臂、中臂、下臂和机械爪，所述上臂一端通过关节A和关节B与机械臂底板下部连接，所述上臂另一端通过关节C与中臂上端连接，所述中臂下端通过关节D与下臂上端连接，所述下臂下端通过关节E与机械爪连接，所述机械爪上设置有关节F，所述关节A、关节B、关节C、关节D、关节E、关节F分别与相应的舵机驱动连接；所述主控制系统包括传感系统、控制系统、旋翼系统和机械臂系统，所述控制系统包括控制器、舵机控制板，所述传感系统包括安装于机身上的陀螺仪/组合惯导和摄像头、安装于旋翼系统上的编码器、安装于机械臂末端的机械爪上的力传感器，所述陀螺仪/组合惯导用于测量飞行机器人位置、线速度、加速度、姿态角、姿态角速度、姿态角加速度及高度信息，所述摄像头采集目标位置信息，保证机械臂的精确定位，所述编码器采集旋翼系统转速信息，所述力传感器在机械臂与环境进行接触交互的过程中反馈力与力矩信号，所述传感系统将采集到的信息实时传递给控制器，所述控制器进行解算与控制工作，所述控制器将控制量传递给舵机控制板，所述舵机控制板驱动旋翼系统和机械臂系统的执行机构完成相应作动，所述控制器与地面站通过数传实时交互，从而通过地面站对控制器进行控制和获取信息。
2.根据权利要求1所述的纵列双涵道式飞行机器人，其特征在于：所述陀螺仪/组合惯导采用SBG公司的IG-500N，所述控制器为CCG010，所述舵机控制板为UAV100，所述上电机、下电机共四个统称旋翼电机，所述旋翼电机型号为ML5210，所述变距舵机共2个型号为KST-X20，所述机械臂关节A、关节B、关节C、关节D、关节E、关节F的舵机共6个型号为KST-589MG，所述数传选用Xbee品牌的P9B型号。
3.一种纵列双涵道式飞行机器人动力学协同控制方法，其特征在于，包括步骤：
a.建立飞行机器人整体动力学方程；
b.采用控制器对飞行机器人的飞行器部分和机械臂部分进行协调控制；
所述整体动力学方程包括，对整个飞行机器人建立坐标系，其中* NED表示地面坐标系，原点位于地表飞行机器人初始位置点，ZNED坐标轴垂直于地表且指向地心，XNED坐标轴指向正北方向，YNED坐标轴指向正东方向；* body表示机体坐标系，原点处于飞行机器人的重心位置，Xbody轴沿纵向指向飞行机器人前方，Ybody轴与机身轴向垂直，指向飞行机器人右侧，Zbody轴满足右手坐标系准则；将飞行机器人机体看作机械臂的基座，即连杆0，根据D-H法建立每个关节处的坐标系，坐标系{i}的Zi轴与关节轴i共线，Xi轴从关节i指向关节i+1，Yi轴由右手定则确定；
其中，地面坐标系与机体坐标系的转换矩阵为：
机械臂相邻连杆坐标系间的转换矩阵为：
然后建立飞行机器人牛顿-欧拉动力学方程：
式中，mb为飞行机器人质量，Ib为飞行机器人惯量，Fg为系统所受重力，Fb和Mb为整机气动力与气动力矩，Fm和Mm为机械臂运动时产生的力与力矩；
系统所受重力表示为：
Fg＝mbg·[-sinθ sinφcosθ cosφcosθ]T，
整机气动力与气动力矩为：
式中，Δfront和Δrear分别表示前后涵道的共轴旋翼，Δfus为机身气动阻力，Δgyro为陀螺力矩，Δpitch表示由涵道产生的附加俯仰力矩；
机械臂运动时作用于机体上的力与力矩为：
上式中的力与力矩从机械臂末端连杆向基座进行迭代求解，即
其中，
4.根据权利要求3所述的纵列双涵道式飞行机器人动力学协同控制方法，其特征在于：所述控制器为级联式控制结构，外环对机械臂进行逆运动学解算得到参考运动，内环包括飞行器与机械臂的位置耦合控制和姿态耦合控制，实现对参考运动的跟踪。
5.根据权利要求4所述的纵列双涵道式飞行机器人动力学协同控制方法，其特征在于：所述控制器的控制策略为，控制系统的参考输入为飞行机器人机械臂末端的目标位置与期望姿态，系统外环根据参考输入和传感器测得的系统输出状态量ξ(qi表示机械臂关节i的位置坐标)、进行逆运动学解算，得到飞行器系统与机械臂各关节的位置控制的参考状态量 结合测得的实际状态量，通过飞行系统位置控制器和机械臂系统控制器进行动力学协同控制，得到所需飞行系统控制力Ffly-system和机械臂系统关节控制转矩τ，使飞行器与机械臂协同作动，飞行器飞到指定位置的合理范围内，再进一步驱动机械臂精确定位，从而使机械臂末端到达空间中的期望方位；根据姿态控制额外所需的参考状态量和θr，以及测得的实际状态量，通过飞行系统姿态控制器和机械臂系统控制器进行协同控制，得到所需飞行系统控制力矩Mfly-system和机械臂系统关节控制转矩τ作为飞行系统控制输入和机械臂系统控制输入，通过四个旋翼的转速差和周期变距进行姿态控制，同时机械臂通过产生的关节扭矩和引起的重心改变得到控制力矩，辅助飞行器姿态的控制。
6.根据权利要求5所述的纵列双涵道式飞行机器人动力学协同控制方法，其特征在于：整个系统考虑飞行系统执行机构动力学和机械臂系统执行机构动力学，将控制指令发送给相应的各执行器，继而使整个飞行机器人综合动力学系统实现期望的响应，所述飞行机器人综合动力学系统考虑了外界环境产生的扰动和传感器的测量噪声。
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