基于视觉的作业型飞行机器人系统设计

摘要

目前市场上的多旋翼无人机主要应用在监测、植保等领域，随着无人机技术的不断发展，具有作业能力的飞行机器人逐渐成为研究热点之一。本文设计了一种能够在空中执行抓取任务的作业型飞行机器人，使无人机的应用范围得到进一步拓展，文中重点研究视觉引导下作业型飞行机器人在空中执行抓取操作时的定位及控制问题。　　首先，构建基于视觉的作业型飞行机器人硬件系统，并对相应模块的运动学与动力学模型进行分析。系统由飞行机器人、作业装置和视觉传感器三个主要模块组成，其中作业装置为安装于飞行机器人底部的三自由度机械臂，用于目标抓取等作业操作；机载摄像头用于飞行机器人自身辅助定位，采用Eye-in-Hand模式在机械臂末端加装摄像头从而实现抓取过程中目标物的定位。利用Newton-Euler方程分别建立飞行机器人和机械臂的动力学模型，并分析了机械臂的正逆运动学方程。　　其次，设计带有CPF(ComplementaryFilter)监测的EKF(ExtendedKalman Filter)框架下多传感器融合的飞行机器人位姿估计算法。由于作业型飞行机器人容易受扰动影响，从而导致EKF发散，因此利用CPF实时监测EKF的姿态解算趋势，当EKF发散时对其进行复位。考虑到偏航运动会引起金字塔 LK(Lucas-Kanade)光流对平动速度估计的失真，针对该问题采用旋转补偿算法对其进行矫正。在作业过程中，利用fDSST(fast Discriminative Scale Space Tracking)目标跟踪算法估计作业目标的位置和尺度信息。　　然后，针对机械臂运动对飞行机器人造成的扰动问题，提出一种带有扰动补偿的分层运动控制算法。该算法将控制器分为两层：顶层控制器将机械臂运动对飞行机器人的扰动描述为飞行机器人受到的外力干扰，通过Newton-Euler迭代方法估计该干扰量的大小，根据飞行机器人动力学计算姿态角的补偿量；底层控制器通过姿态解耦控制实时跟踪补偿后的期望姿态角，从而抑制机械臂运动造成的飞行机器人位姿扰动。在此基础上，设计了作业型飞行机器人的抓取策略，并针对抓取过程中目标丢失的情况设计一种搜索方法以重新跟踪目标。　　最后，在室内外环境下对作业型飞行机器人系统进行测试。室内环境下利用OptiTrack运动捕获系统验证定点悬停的精度和扰动抑制算法的效果，定量分析结果表明算法可以有效计算姿态角的补偿量来提高飞行机器人的轨迹跟踪能力。室外环境下进行抓取实验，结果表明分层运动控制算法能够抑制机械臂运动造成的扰动，实现了空中抓取目标物体的任务。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 旋翼式飞行机器人系统建模与镇定

1.2.2 飞行机器人定位与目标跟踪

1.2.3 机械臂扰动估计与抑制

1.3 主要研究内容

1.4 论文章节安排

2 作业型飞行机器人系统设计

2.1 作业型飞行机器人结构设计

2.1.1 机械臂硬件结构设计

2.1.2 飞行机器人硬件系统设计

2.1.3 视觉传感器系统设计

2.2 作业型飞行机器人建模

2.2.1 飞行机器人动力学建模

2.2.2 机械臂运动学建模

2.2.3 机械臂动力学建模

2.3 本章小结

3 飞行机器人位姿估计与抓取目标跟踪

3.1 基于金字塔LK光流的定位算法研究

3.1.1 金字塔LK光流算法

3.1.2 金字塔LK光流算法的旋转补偿

3.2 基于EKF-CPF的位姿估计

3.2.1 EKF的状态-方差预测过程

3.2.2 位置数据融合

3.2.3 过程噪声/测量噪声方差矩阵整定

3.2.4 EKF-CPF算法设计

3.3 基于fDSST的目标跟踪算法研究

3.3.1 fDSST目标跟踪算法

3.4 实验结果及分析

3.4.1 金字塔LK光流旋转补偿测试

3.4.2 基于EKF-CPF的姿态估计测试

3.4.3 fDSST目标跟踪测试

3.5 本章小结

4 基于分层运动控制算法的机械臂扰动抑制

4.1 机械臂干扰量估计

4.2 作业型飞行机器人扰动抑制及控制

4.2.1 机械臂扰动抑制

4.2.2 飞行机器人姿态解耦控制

4.2.3 飞行机器人位置控制

4.3 作业型飞行机器人抓取策略

4.4 实验结果及分析

4.4.1 机械臂扰动估计

4.4.2 飞行机器人姿态解耦控制测试

4.4.3 飞行机器人位置控制测试

4.5 本章小结

5 基于视觉的作业型飞行机器人实验分析

5.1 实验环境与平台介绍

5.2 作业型飞行机器人的定点悬停实验

5.2.1 室内定点悬停实验

5.2.2 室外定点悬停实验

5.2.3 定点悬停实验分析

5.3 飞行机器人扰动抑制实验

5.4 空中抓取物体实验

5.5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果