悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法及装置

利用厨房墙面，安装可伸缩的厨具悬挂架，方便烹饪操作。 #生活技巧# #收纳技巧# #墙面悬挂储物#

技术特征：
1.悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人的伸缩刀具的悬挂伸缩方式，确定悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人结构；s2、根据悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人结构，推导伸缩刀具时空中机器人的机体重心位置和惯性张量参数；s3、根据悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人结构，及伸缩刀具时空中机器人的机体重心位置和惯性张量参数，推导出悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人动力学模型；s4、根据悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人的动力学模型，推导出用于接触作业时的导纳控制器和力估计器；采用力估计器对悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人的接触力进行估计，导纳控制器根据力估计器估计的接触力输出期望位置；s5、根据悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人的动力学模型，设计位姿线性自抗扰飞行控制器，位姿线性自抗扰飞行控制器将空中机器人的动力学模型解耦成为六个通道分别进行控制。2.根据权利要求1所述的悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法，其特征在于，空中机器人包括机体和伸缩刀具，步骤s1中伸缩刀具的悬挂伸缩方式为：(a)机腹悬挂，伸缩刀具通过伸缩杆和空中机器人的机腹刚性连接；且伸缩刀具沿机体坐标系x
b
轴方向安装，实际切割时只存在x
b
轴方向的接触力；(b)伸缩刀具，通过电机驱动伸缩机构带动伸缩刀具伸缩，伸缩刀具伸缩的长度范围为l∈[0.5m,1.5m]。3.根据权利要求1所述的悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法，其特征在于，步骤s2中伸缩刀具时空中机器人在机体坐标系的重心位置为：其中，为空中机器人在机体坐标系的重心位置，即机体坐标系中空中机器人质心相对机体坐标系原点的位置，x
g
,y
g
,z
g
分别为机体坐标系中空中机器人的重心坐标；m
b
为空中机器人的机体质量，m
s
为悬挂刀具质量；为机体坐标系中悬挂刀具质心相对机体坐标系原点的位置，x
s
,y
s
,z
s
分别为机体坐标系中悬挂刀具质心坐标；伸缩刀具时空中机器人的惯性张量参数为：其中，i
o,xx
、i
o,yy
、i
o,zz
分别为空中机器人x
b
轴、y
b
轴、z
b
轴转动惯量，i
o,yx
为空中机器人y
b
、x
b
轴惯性积，i
o,xy
为空中机器人x
b
、y
b
轴惯性积，i
o,zx
为空中机器人z
b
、x
b
轴惯性积，i
o,xz
为空中机器人x
b
、z
b
轴惯性积，i
o,zy
为空中机器人z
b
、y
b
轴惯性积，i
o,yz
为空中机器人y
b
、z
b
轴惯性积，i
b,xx
、i
b,yy
、i
b,zz
为分别机体x
b
轴、y
b
轴、z
b
轴转动惯量，i
s,xx
、i
s,yy
、i
s,zz
分别为伸缩刀具
x
b
轴、y
b
轴、z
b
轴转动惯量。4.根据权利要求1所述的悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法，其特征在于，步骤s3中悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人动力学模型为：空中机器人动力学模型为：空中机器人动力学模型为：空中机器人动力学模型为：空中机器人动力学模型为：空中机器人动力学模型为：其中，u、v、w分别为空中机器人在机体坐标系中各坐标轴的线速度，分别为空中机器人在机体坐标系中各坐标轴的线加速度，p、q、r分别为空中机器人在机体坐标系中各坐标轴的角速度，分别为空中机器人在机体坐标系中各坐标轴的角加速度，x
g
、y
g
、z
g
分别为机体坐标系中空中机器人的重心坐标，u
φ
、u
θ
、u
ψ
、u
z
分别空中机器人的滚转角、俯仰角、航向角、高度输入，g为重力加速度，m为空中机器人和悬挂刀具总质量，s
θ
为俯仰角θ的正弦函数，c
θ
为俯仰角θ的余弦函数，s
φ
为滚转角φ的正弦函数，c
φ
为滚转角φ的余弦函数，i
o,xx
、i
o,yy
、i
o,zz
分别为空中机器人x
b
轴、y
b
轴、z
b
轴转动惯量，i
o,yx
为空中机器人y
b
、x
b
轴惯性积，i
o,xy
为空中机器人x
b
、y
b
轴惯性积，i
o,zx
为空中机器人z
b
、x
b
轴惯性积，i
o,xz
为空中机器人x
b
、z
b
轴惯性积，i
o,zy
为空中机器人z
b
、y
b
轴惯性积，i
o,yz
为空中机器人y
b
、z
b
轴惯性积。5.根据权利要求1所述的悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法，其特征在于，步骤s4中空中机器人接触作业时保持恒定角度，接触力垂直于树木，接触时角速度为0，航向角为固定值，滚转通道保持稳定，忽略外部风扰带来的影响，力估计器估计的空中机器人伸缩刀具的接触力为：其中，g为重力加速度，m为空中机器人的总质量，θ为俯仰角，为x
b
轴线加速度；导纳控制器输出的x
b
轴位置误差和输入的接触力误差之间的传递函数关系为：
其中，为的拉氏变换，为的拉氏变换，的拉氏变换，的拉氏变换，为空中机器人悬挂伸缩刀具期望的接触力，为实际的空中机器人悬挂伸缩刀具的接触力，为空中机器人x轴的期望位置，为空中机器人实际的x轴位置；k
m
等效为机体坐标系中x
b
轴方向空中机器人的刚度系数，k
s
等效为机体坐标系中x
b
轴方向空中机器人的弹性系数，k
d
等效为机体坐标系中x
b
轴方向空中机器人的阻尼系数。6.根据权利要求1所述的悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法，其特征在于，步骤s5中解耦后的空中机器人六自由度模型表示为：其中，f
i
(
·
)为不确定项，ω
ext,i
(t)和ω
int,i
(t)分别为空中机器人所受的外部扰动和刀具伸缩产生的扰动，i＝x，y，z，φ，θ，ψ；(b
x
,b
y
,b
z
)和(b
φ
,b
θ
,b
ψ
)均为可调参数，(u
x
,u
y
,u
z
,u
φ
,u
θ
,u
ψ
)是各通道的中间控制量；分别对解耦后的六个通道设计相应的线性扩张状态观测器，估计出相应通道中扰动值，并引入相应的补偿，实现对扰动的抑制。7.根据权利要求5所述的悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法，其特征在于，设计的线性扩张状态观测器为：其中，x1为各通道的扩张状态变量，z1为x1的观测值，z2为x1的速度观测值，z3为各通道的扰动估计值，β
i
,i＝1,2,3为观测值增益，β1＝3ω0，β2＝3ω
02
，β3＝ω
03
，ω0为线性扩张状态观测器的带宽，b0为各通道的可调参数，u0为各通道的控制量；采用线性反馈控制律分别对六个通道中的扰动值进行补偿，线性反馈控制律为：其中，x
d
为各通道位置和姿态的期望值，k
p
为比例增益，k
d
为微分增益，k
d
＝2ω
c
，其中ω
c
为线性反馈控制律的带宽；u0为各通道的控制量，z3为各通道的扩张状态观测量。8.悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制装置，其特征在于，包括力估计器、导纳控制器、位置控制器和姿态控制器；其中：
力估计器，用于估计悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人伸缩刀具的接触力；导纳控制器，根据力估计器估计的伸缩刀具接触力和给定期望力，用于计算悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人伸缩刀具的期望位置控制量；位置控制器，根据导纳控制器计算出的期望位置控制量，用于悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人的位置控制，并得出期望姿态量；姿态控制器，根据位置控制器得出的期望姿态量，用于悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人的姿态控制。9.一种控制设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线；其中，所述处理器、所述通信接口、所述存储器通过所述通信总线完成相互间的通信；所述存储器，用于存放计算机程序；所述处理器，用于执行所述存储器上所存放的程序时，实现权利要求1-7任一项所述的悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法。10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法。

技术总结
本发明公开了悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法及装置，包括：S1、对悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人进行结构设计；S2、根据悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人结构，推导伸缩刀具时机体重心位置、惯性张量参数的变化；S3、根据步骤S1、S2推导出悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人动力学模型；S4、根据步骤S3中所建立的悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人的动力学模型，推导出用于接触作业时的导纳控制器和力估计器；S5、根据步骤S3中所建立的悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人的动力学模型，设计位姿线性自抗扰飞行控制器。本发明针对空中机器人伸缩刀具参数摄动及接触作业受力干扰具有良好的抑制与稳定作用。触作业受力干扰具有良好的抑制与稳定作用。触作业受力干扰具有良好的抑制与稳定作用。

技术研发人员：廖禄伟 杨忠 许昌亮 徐浩 王灿 王志永
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2021.12.22
技术公布日：2022/4/12

网址：悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法及装置 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/788659

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