CN110282137B - 一种基于系绳连接的智能空中抓捕器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于系绳连接的智能空中抓捕器，在传统被动手爪的基础上，增加测量手爪位姿信息的IMU模块和测量目标信息的单目相机，增加调节位姿用的单轴滑轨/滑块机构和两个正反桨叶的小型涵道风扇，以及控制自动抓捕的主控模块；通过IMU模块和单目相机测量信息，然后根据测量信息进行计算，最后主控模块根据计算值对单轴滑轨/滑块机构和涵道风扇进行控制。本发明对慢速运动物体进行自主捕获，无人机无需精确测量并悬停目标上空，简化无人机负载设计。

Description

一种基于系绳连接的智能空中抓捕器及控制方法
技术领域
本发明涉及目标自主智能抓捕领域，尤其涉及一种基于系绳连接的目标智能自主空中抓捕器及控制方法。
背景技术
在无人机运输系统中，目前主要有直接在无人机上加装抓捕器、无人机加装机械臂、无人机吊挂系统三种方式。前两种方式无人机在捕获目标时需要使无人机悬停在离目标极近的区域，极大限制了无人机运输的应用场景。而无人机吊挂系统利用绳索的优势，可距离目标较远进行作业。因此，无人机吊挂系统得到了广泛的关注。
但无人机吊挂系统中，传统的末端抓捕器为一个被动手爪，没有自主能力。在重力的作用下，其在目标捕获过程中的位置控制完全依赖于无人机的位置控制，且在对慢速运动目标无抓捕能力。而无人机的位置控制存在一定误差，因此，在目标捕获过程中，多需要依赖人工辅助完成，增加了任务成本和任务过程中的危险性。
同样的问题出现在自动行吊系统中，吊车上端装置需要精确停靠在目标上方，且其目标捕获过程多依赖人工辅助完成。
针对此问题，本发明在原被动手爪的基础上，设计一种具有位姿自主调节能力的末端智能抓捕器，降低对上端机构位置停靠精度的依赖，且可实现对慢速运动目标的捕获。
首尔大学的Kim S J团队研究的可折叠伸缩的自锁型折纸机械臂，安装在无人机上之后可以在一定程度上实现远距离作业，但是折纸机械臂的自由度受限，只能沿竖直方向伸缩，因此对于无人机的位置控制精度要求较高，而且相较于绳索，折纸机械臂的作业距离仍然较短。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于系绳连接的智能空中抓捕器及控制方法。
技术方案
一种基于系绳连接的智能空中抓捕器，其特征在于包括单轴滑轨/滑块机构、正桨叶涵道风扇、反桨叶涵道风扇、抓捕手爪、单目相机、IMU模块及主控模块、抓捕器外部框架和系绳；所述的抓捕器外部框架为上下均有盖板的圆柱结构，在上盖板上安装单轴滑轨/滑块机构，系绳安装在单轴滑轨/滑块机构上并与无人机的连接，在下盖板的下表面安装抓捕手爪，在抓捕手爪的中心安装单目相机，在下盖板的上表面安装IMU模块及主控模块，在抓捕器外部框架的外侧对称安装正桨叶涵道风扇、反桨叶涵道风扇。
所述的单轴滑轨/滑块机构包括步进电机、联轴器、移动滑块、丝杆螺母、丝杆、光轴、光轴固定支架和丝杆固定支架；光轴通过光轴固定支架、丝杆通过丝杆固定支架固定安装在抓捕器外部框架的上盖板，步进电机通过连轴器与丝杆连接，丝杆通过丝杆螺母与移动滑块连接，光轴穿过移动滑块的左右侧孔，起到承力的作用。
一种基于系绳连接的智能空中抓捕器的控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：利用IMU模块当前抓捕器姿态角信息θ、
Figure BDA0002099607830000021
γ，角速度信息ωx、ωy、ωz，利用单目相机测量目标相对位置信息Δx、Δy；
步骤2：计算相对绝对距离信息Δl，期望的姿态角θe、
Figure BDA0002099607830000022
γe：
Figure BDA0002099607830000023
步骤3：利用双通道的姿态控制器，计算姿态控制力矩My和Mz：
Figure BDA0002099607830000031
其中，控制系数kz1,kz2,ky1,ky2>0；
步骤4：利用位置控制器，计算控制力Fsum：
Figure BDA0002099607830000032
其中，控制系数kl1,kl2>0；
步骤5：通过执行器分配方程，分别计算涵道风扇推力F1,F2，滑块偏移质心位置xc：
Figure BDA0002099607830000033
其中，d为双涵道风扇的推力位置，m为抓捕器质量，g为重力加速度；
步骤6：利用主控模块驱动涵道风扇，输出相应转速，并驱动滑块控制电机，将滑块移动到相应位置。
有益效果
本发明提出的一种基于系绳连接的智能空中抓捕器，在传统被动手爪的基础上，增加测量手爪位姿信息的IMU模块和测量目标信息的单目相机，增加调节位姿用的单轴滑轨/滑块机构和两个正反桨叶的小型涵道风扇，以及控制自动抓捕的主控模块，抓捕器电子系统的供电可通过绳缆传导，也可自带电池。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)无人机无需精确测量并悬停目标上空，简化无人机负载设计。
2)抓捕器具有较强的抗干扰能力，能够抵抗风、碰撞等外界干扰。
3)可以对慢速运动物体进行自主捕获。
4)无需人工辅助完成任务，降低人力成本，提高安全性。
附图说明
图1抓捕器结构图
图2单轴滑轨/滑块机构结构图
图3正反桨叶涵道风扇结构图
图4智能抓捕器的抓捕流程
图5抓捕器的详细控制系统结构图
图6控制流程图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
系统整体框图见附图1。其中1为单轴滑轨/滑块机构、2为正反双桨叶涵道风扇、3为抓捕手爪，4为单目相机、5为IMU模块及主控模块，6为抓捕器外部框架，7为与无人机的连接系绳。具体的连接方式为：抓捕器整体通过系绳7与无人机相连，单目相机4安装在抓捕器下方的中心位置，以便于观测抓捕目标，IMU及主控模块5安装在抓捕器内部，提供和处理所需的反馈信息。具体为：所述的抓捕器外部框架6为上下均有盖板的圆柱结构，在上盖板上安装单轴滑轨/滑块机构1，系绳7安装在单轴滑轨/滑块机构1上并与无人机的连接，在下盖板的下表面安装抓捕手爪3，在抓捕手爪3的中心安装单目相机4，在下盖板的上表面安装IMU模块及主控模块5，在抓捕器外部框架6的外侧对称安装正桨叶涵道风扇16、反桨叶涵道风扇17。
单轴滑轨/滑块机构示意图见附图2，其中8为步进电机、9为联轴器、10为移动滑块、11为丝杆螺母、12为丝杆、13为光轴、14为光轴固定支架、15为丝杆固定支架。具体的连接方式为：光轴13通过光轴固定支架14、丝杆12通过丝杆固定支架15固定安装在抓捕器的上表面，步进电机8通过连轴器9与丝杆12连接，丝杆12通过丝杆螺母11与移动滑块10连接，光轴13穿过移动滑块10的左右侧孔，起到承力的作用。具体的工作方式为步进电机8驱动丝杆12旋转，通过丝杆螺母11将丝杆12的转动转化为移动滑块10的平动、从而使系绳联接点产生位移。
正反双桨叶涵道风扇示意图见附图3，其中16为正桨叶涵道风扇，17与反桨叶涵道风扇，18为涵道风扇固定支架。正桨叶涵道风扇16和反桨叶涵道风扇17通过涵道风扇固定支架18与抓捕器外部框架6固连在一起。具体的工作方式为，正桨叶涵道风扇16和反桨叶涵道风扇17反向旋转，提供抓捕器单向推力，且不产生额外的干扰力矩；正桨叶涵道风扇16和反桨叶涵道风扇17同向旋转，提供抓捕器需要的单轴控制力矩，而不产生额外的推力。
智能抓捕器的抓捕流程见附图4。智能抓捕器根据单目相机及IMU姿态传感器回传信息，得到自身姿态信息及目标相对位置，控制双涵道风扇产生偏航力矩以及推进力，控制单轴滑轨/滑块机构移动，利用系绳拉力，产生需要的俯仰力矩，控制抓捕器移向目标，且保持滚转角及俯仰角为零，确保手爪竖直向下，在到达目标位置时，主控系统发出指令，控制电机闭合手爪，完成目标物的抓捕过程。
为进一步详细描述其控制方式。首先进行坐标系及抓捕器姿态角定义：
本体坐标系ObXbYbZb：Zb轴沿质心过抓捕器主对称面竖直向上，Xb轴过抓捕器质心沿风扇正推力方向，Yb由右手坐标系确定。
参考坐标系OEXEYEZE：坐标原点OE为系绳上端点，ZE轴竖直向上，XE为初始时刻本体坐标系Xb轴在水平面的投影，YE由右手坐标系确定。
由参考坐标系到本体坐标系间的坐标转换利用3-1-2旋转描述，对应的姿态角为偏航角θ，滚转角γ，俯仰角
Figure BDA0002099607830000051
设在本体坐标系下，双涵道风扇的推力位置分为rF1＝[0 d0]T，rF2＝[0 -d 0]T，系绳连接点的位置为r＝[xc 0 h]T，系绳张力T＝[Tx Ty Tz]T，其中Tx,Ty与Tz相比可视为干扰，Tz在进行控制时近似认为与抓捕器重力mg大小相等，方向相反。其中m为抓捕器质量，g为重力加速度。
抓捕器的详细控制系统结构图见附图5，控制流程见附图6。
每个控制周期内，详细的控制流程为：
1、利用IMU模块及相机模块测量当前抓捕器姿态角信息θ、
Figure BDA0002099607830000061
γ，角速度信息ωx、ωy、ωz，以及与目标相对位置信息Δx、Δy；
2、通过公式(1)计算相对绝对距离信息Δl，期望的姿态角θe。
Figure BDA0002099607830000062
3、利用双通道的姿态控制器公式(2)，计算姿态控制力矩My和Mz；其中，控制系数kz1,kz2,ky1,ky2>0。，由于系统的固有特性，滚转通道在零点平衡位置能够渐近稳定，故滚转通道采取无控方式。
Figure BDA0002099607830000063
4、利用位置控制器公式(3)，计算控制力Fsum，其中控制系数kl1,kl2>0。
Figure BDA0002099607830000064
5、通过执行器分配方程公式(4)，分别计算涵道风扇推力F1,F2，滑块偏移质心位置xc。
Figure BDA0002099607830000065
6、利用主控模块驱动涵道风扇，输出相应转速，并驱动滑块控制电机，将滑块移动到相应位置。

Claims (2)

1.一种基于系绳连接的智能空中抓捕器的控制方法，所述的基于系绳连接的智能空中抓捕器，包括单轴滑轨/滑块机构(1)、正桨叶涵道风扇(16)、反桨叶涵道风扇(17)、抓捕手爪(3)、单目相机(4)、IMU模块及主控模块(5)、抓捕器外部框架(6)和系绳(7)；所述的抓捕器外部框架(6)为上下均有盖板的圆柱结构，在上盖板上安装单轴滑轨/滑块机构(1)，系绳(7)安装在单轴滑轨/滑块机构(1)上并与无人机连接，在下盖板的下表面安装抓捕手爪(3)，在抓捕手爪(3)的中心安装单目相机(4)，在下盖板的上表面安装IMU模块及主控模块(5)，在抓捕器外部框架(6)的外侧对称安装正桨叶涵道风扇(16)、反桨叶涵道风扇(17)，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：
步骤1：利用IMU模块获取当前抓捕器姿态角信息偏航角θ、俯仰角
Figure FDA0003856571050000011
滚转角γ，角速度信息ωx、ωy、ωz，利用单目相机测量目标相对位置信息Δx、Δy；
步骤2：计算相对绝对距离信息Δl，期望的姿态角θe、
Figure FDA0003856571050000012
γe：
Figure FDA0003856571050000013
步骤3：利用双通道的姿态控制器，计算姿态控制力矩My和Mz：
Figure FDA0003856571050000014
其中，控制系数kz1,kz2,ky1,ky2＞0；
步骤4：利用位置控制器，计算控制力Fsum：
Figure FDA0003856571050000015
其中，控制系数kl1,kl2＞0；
步骤5：通过执行器分配方程，分别计算涵道风扇推力F1,F2，滑块偏移质心位置xc：
Figure FDA0003856571050000021
其中，d为正桨叶涵道风扇、反桨叶涵道风扇的中心轴线到抓捕器中心的距离，m为抓捕器质量，g为重力加速度；
步骤6：利用主控模块驱动涵道风扇，输出相应转速，并驱动滑块控制电机，将滑块移动到相应位置。
2.根据权利要求1所述的基于系绳连接的智能空中抓捕器的控制方法，其特征在于所述的单轴滑轨/滑块机构(1)包括步进电机(8)、联轴器(9)、移动滑块(10)、丝杆螺母(11)、丝杆(12)、光轴(13)、光轴固定支架(14)和丝杆固定支架(15)；光轴(13)通过光轴固定支架(14)、丝杆(12)通过丝杆固定支架(15)固定安装在抓捕器外部框架(6)的上盖板，步进电机(8)通过联轴器(9)与丝杆(12)连接，丝杆(12)通过丝杆螺母(11)与移动滑块(10)连接，光轴(13)穿过移动滑块(10)的左右侧孔，起到承力的作用。
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