【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于無人機結(jié)合機械臂，具體涉及基于激光感知的空中互操縱系統(tǒng)自抗擾控制方法。
技術(shù)介紹
1、空中靈巧操作系統(tǒng)是一種集成了無人機快速空間移動能力和機械臂精確操縱能力的新型機器人系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通過協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)了無人機從單一的觀測功能向具備操作能力的跨越，極大地拓展了無人機的應用場景。與傳統(tǒng)無人機相比，空中靈巧操作系統(tǒng)具備了更為精確的操縱能力和環(huán)境交互能力，使其在遠距離高壓電力線帶電檢修、化工廠危化品管道的接觸式檢測探傷、以及高時效性應急物資快速取送等關(guān)鍵任務中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和研究意義。
2、隨著科技的快速發(fā)展，尤其是小型多旋翼無人機技術(shù)的成熟和產(chǎn)業(yè)鏈的完善，空中靈巧操作系統(tǒng)的應用領(lǐng)域迅速擴展，從專業(yè)航拍到電力巡線、農(nóng)業(yè)植保、應急搜救等多個行業(yè)。這一趨勢得到了國家層面的重視和推動。
3、然而，盡管空中靈巧操作技術(shù)展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬埃壳叭源嬖谝恍╆P(guān)鍵技術(shù)問題尚未解決。現(xiàn)有的空中靈巧操作平臺局限于不能與外界環(huán)境進行物理接觸的應用場景，受此限制，空中靈巧操作系統(tǒng)在進行復雜操作時，往往面臨穩(wěn)定性和精確性不足的問題，特別是在強動態(tài)和不確定環(huán)境下，系統(tǒng)的控制策略和執(zhí)行效率亟需提升。
4、因此，攻克空中靈巧操作平臺的高效控制與環(huán)境感知技術(shù)，對于推動該領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。這不僅能夠增強無人機機械臂在執(zhí)行任務時的穩(wěn)定性和精確性，還能夠顯著提升無人機機械臂在復雜環(huán)境下的作業(yè)能力和自主性，提高系統(tǒng)的智能化水平以及與復雜環(huán)境的交互能力。通過實現(xiàn)高效協(xié)同控制，無人機機械臂能夠更好地與操作者或其他
5、此外，空中靈巧操作平臺的智能化和自動化問題也是當前研究的熱點。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，將先進的算法和控制策略應用于空中靈巧操作系統(tǒng)，實現(xiàn)更高級別的自主控制和智能決策，是提升系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。同時，安全性和可靠性也是空中靈巧操作系統(tǒng)設計中不可忽視的因素，特別是在涉及人員安全和關(guān)鍵基礎(chǔ)設施的應用場景中。
6、本專利技術(shù)針對空中靈巧操作系統(tǒng)的建圖技術(shù)以及控制技術(shù)進行深入研究，不僅能在周圍復雜環(huán)境建圖提供精準定位，控制理論的發(fā)展提供新的視角和方法，具有重要的理論研究價值，還能夠推動空中靈巧操作技術(shù)在實際應用中的落地，促進相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級，具有廣闊的實用價值。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本專利技術(shù)提供的基于激光感知的空中互操縱系統(tǒng)自抗擾控制方法通過采用先進的控制策略和算法優(yōu)化，旨在提高空中靈巧操作系統(tǒng)在復雜環(huán)境中的穩(wěn)定性和精確性，增強系統(tǒng)的自主性和智能化水平，提升控制效率，確保操作的安全性和可靠性。
2、為了達到上述專利技術(shù)目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案為：基于激光感知的空中互操縱系統(tǒng)自抗擾控制方法，包括以下步驟：
3、s1、建立四旋翼無人機的動力學模型和運動學模型，對系統(tǒng)進行建模；
4、s2、基于建模后的系統(tǒng)，采集飛行機械臂周圍的點云數(shù)據(jù)，通過對點云數(shù)據(jù)進行分割和配準處理，利用處理后的點云數(shù)據(jù)進行圖優(yōu)化精準定位四旋翼無人機位置；
5、s3、通過pid位置控制串聯(lián)改進的積分型自抗擾姿態(tài)控制策略，根據(jù)四旋翼無人機位置，生成控制四旋翼無人機運動軸的力矩指令；
6、s4、根據(jù)四旋翼無人機的升力和力矩指令計算螺旋槳相應的油門控制信號，完成四旋翼無人機的控制。
7、進一步地：所述s1中，動力學模型包括位置運動學模型和姿態(tài)運動學模型；
8、其中，位置運動學模型的表達式具體為：
9、
10、式中，表示四旋翼無人機在世界坐標系下的位置，wxb、wyb和wzb分別表示四旋翼無人機在世界坐標系下沿owxw、owyw和owzw軸的位置，wυb表示四旋翼無人機在世界坐標系下的線速度，和分別表示四旋翼無人機在世界坐標系下沿owxw、owyw和owzw軸的線速度；
11、姿態(tài)運動學模型的表達式具體為：
12、
13、式中，表示姿態(tài)變化率，和分別表示機體坐標系下在三軸上的角速度，φb、θb和ψb分別表示機體坐標系下在三軸上的角度，bω表示機體角速度，bω＝[bωx,bωy,bωz]t，bωx、bωy和bωz分別表示四旋翼無人機在世界坐標系下沿obxb、obyb和obzb軸的角速度；
14、姿態(tài)運動學模型包括位置動力學模型和姿態(tài)動力學模型；
15、其中，位置動力學模型的表達式具體為：
16、
17、式中，φ表示飛行器橫滾角，θ表示飛行器俯仰角，ψ表示飛行器偏航角，m表示機體的質(zhì)量，bf表示螺旋槳轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的升力在機體坐標系總量，g表示重力加速度，和分別表示在世界坐標系下三軸的加速度；
18、姿態(tài)動力學模型的表達式具體為：
19、
20、式中，j表示四旋翼無人機總的轉(zhuǎn)動慣量，j＝diag[jxx,jyy,jzz]，jxx表示第一轉(zhuǎn)動慣量，jyy表示第二轉(zhuǎn)動慣量，jzz表示第三轉(zhuǎn)動慣量，diag[·]表示一個對角矩陣的符號，用于表示一個主對角線之外的元素為零的矩陣，bω為四旋翼無人機機體坐標系下的角速度，表示四旋翼無人機機體坐標系下的角加速度，bτ表示四旋翼無人機機體坐標系上總的力矩向量，表示沿著obxb軸的力矩向量，bτy表示沿著obyb軸的力矩向量，bτz表示沿著obzb軸的力矩向量，t表示轉(zhuǎn)置符號。
21、進一步地：所述s2包括以下分步驟：
22、s21、采集飛行機械臂周圍的點云數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化的ransac算法對點云數(shù)據(jù)進行分割處理；
23、s22、通過3d-ndt算法將分割后的點云數(shù)據(jù)進行空間配準，得到點云配準信息；
24、s23、基于點云配準信息，在激光slam中利用非線性最小二乘實現(xiàn)圖優(yōu)化slam，精準定位四旋翼無人機位置。
25、進一步地：所述s21中，通過優(yōu)化的ransac算法對點云數(shù)據(jù)進行分割處理的方法具體為：
26、基于設置的tin分割策略和靈活性一致集閾值，對點云數(shù)據(jù)進行迭代分割，得到分割后的點云數(shù)據(jù)；
27、其中，tin分割策略具體為：
28、采用tin的三角形作為增長單元，根據(jù)相應環(huán)境中障礙物的結(jié)構(gòu)單元之間形成的高差落勢存在遮擋情況下進行相應的約束處理，再根據(jù)具有相同標記的三角形進行分組，依據(jù)分組后的三角形區(qū)域?qū)c云數(shù)據(jù)的區(qū)域進行分割；
29、約束處理的表達式具體為：
30、
31、式中，max(·)表示取最大值函數(shù)，min(·)表示取最小值函數(shù)，tq1表示三角形中第1點處地高程值，tq2表示三角形中第2點處地高程值，tq3表示三角形中第3點處地高程值，表示高差閾值，用于約束三角形；
32、靈活性一致集閾值設置的最大迭代次數(shù)maxiteration的表達式具體為：
33、
34、式中，p本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.基于激光感知的空中互操縱系統(tǒng)自抗擾控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光感知的空中互操縱系統(tǒng)自抗擾控制方法，其特征在于，所述S1中，動力學模型包括位置運動學模型和姿態(tài)運動學模型；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光感知的空中互操縱系統(tǒng)自抗擾控制方法，其特征在于，所述S2包括以下分步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于激光感知的空中互操縱系統(tǒng)自抗擾控制方法，其特征在于，所述S21中，通過優(yōu)化的RANSAC算法對點云數(shù)據(jù)進行分割處理的方法具體為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于激光感知的空中互操縱系統(tǒng)自抗擾控制方法，其特征在于，所述S22中，利用3D-NDT算法配準點云信息方法具體為：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于激光感知的空中互操縱系統(tǒng)自抗擾控制方法，其特征在于，所述S23中，通過最小二乘進行圖優(yōu)化SLAM包括以下分步驟：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于激光感知的空中互操縱系統(tǒng)自抗擾控制方法，其特征在于，所述S3具體為：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于激光感知的空中互操縱系
...【技術(shù)特征摘要】
1.基于激光感知的空中互操縱系統(tǒng)自抗擾控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光感知的空中互操縱系統(tǒng)自抗擾控制方法，其特征在于，所述s1中，動力學模型包括位置運動學模型和姿態(tài)運動學模型；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光感知的空中互操縱系統(tǒng)自抗擾控制方法，其特征在于，所述s2包括以下分步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于激光感知的空中互操縱系統(tǒng)自抗擾控制方法，其特征在于，所述s21中，通過優(yōu)化的ransac算法對點云數(shù)據(jù)進行分割處理的方法具體為：
<...【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：霍建文，張鑫月，黎雨欣，陳帆，孟帥，王俊林，周懷芳，
申請(專利權(quán))人：西南科技大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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