一种空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统的制作方法

本发明涉及一种空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统及其抓取方法，通过仿生学手段模拟抓取机械装置、规划抓取运动来实现抓取。

背景技术：

多旋翼飞行器是飞行器领域前沿的研究方向，是未来先进的飞行器。而可操作型多旋翼使飞行器从以往的只具备观察环境的单一功能发展为具有与环境交互接触的能力，是“下一代飞行器”，在高层建筑物探测、遥操作、物流等领域具有潜在的应用前景。在过去的十年中，学术界针对多旋翼飞行器的规划、控制等问题开展了大量研究，取得了丰富的研究成果。与此同时，在产业界，随着飞行器导航、定位等相关技术的日趋成熟，多旋翼飞行器在众多领域取得了极为成功的应用，并推动了一批以微小型多旋翼飞行器为主要产品的机器人企业迅速壮大。以多旋翼飞行器为平台的飞行器被很多研究机构和企业视为最具产业化前景的方向之一。

多旋翼操作飞行器将多旋翼飞行平台和操作机构相结合，在综合两者优越性的同时，也带来了一系列新的问题。操作机构、结构追求高灵活性，要求其构型具有一定数量的自由度，这势必会增大飞行器的结构复杂度和整体重量、降低多旋翼飞行器的敏捷性。众多高校和科研院所在多旋翼飞行机器人抓取方面做出了大量的探索，但其主要集中于控制系统建模领域，而在实际情况中，往往多旋翼飞行机器人与环境间存在大量交互，与被操作对象间也存在明显的耦合。实际结果表明，对于物体的多次、快速、准确的抓取任务，各方仍未取得理想成果。

为了使得多旋翼飞行机器人能反复、多次、快速、准确的抓取物体，抓取方法应该稳定性更强、快速性更好、适应范围更广、可靠性更高，并应该充分考虑多旋翼飞行机器人与环境间的交互，以及与被操作对象间的耦合问题。

技术实现要素：

针对多旋翼飞行器抓取物体过程中的快速性、准确性、灵敏性不足的问题，本发明提出一种可以实现反复、多次、快速、准确抓取的空中操作多旋翼飞行器仿鹰抓取系统，针对实际环境和实际物体的抓取场景，充分考虑多旋翼飞行器自身的结构性能特点，可以实现多旋翼飞行机器人对于物体的多次、快速、准确抓取。

自然界中的鹰类可以在高速运动中动态抓捕猎物，与之相类似的，小型多旋翼飞行器具有很高的敏捷性，可实现高难度机动特效飞行。本发明空中操作

多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统,在多旋翼飞行器的基础上,加装两条两自由度仿生操作臂，以及机身底部设计的，用来安装仿生操作臂的挂载杆；

两条仿生操作臂，包括髋关节连接件、髋关节管座、大腿杆、膝关节连接件、膝关节管座、小腿杆、踝关节与机械爪。其中，髋关节连接件固定安装于挂载杆上。髋关节管座两侧设计有连接轴，分别与髋关节连接件间铰接，形成髋关节。大腿杆末端与髋关节管座间固定，前端固定安装膝关节连接件。膝关节管座两侧同样设计有连接轴，分别与膝关节连接件间铰接，形成膝关节；小腿杆末端与膝关节管座间固定，前端固定安装踝关节；踝关节与机械爪固定。大臂机构负责大范围调整操作臂，小臂机构负责小范围微调操作臂，机械爪负责夹持被操作对象、完成抓取任务。

在机械结构上，通过对鹰类腿部结构和功能的机理解析，抽象等价出仿鹰的腿部的构型，对仿鹰腿部进行设计，建立仿鹰腿部的力学模型，并分析鹰类空中动态抓捕猎物的运动机理，建立鹰类运动与空中操作飞行器运动之间的映射转换模型。

在运动规划上，以提高系统运动效能和稳定性为目标，借鉴生物运动方式，分析鹰类空中动态抓捕猎物的运动机理；建立鹰类运动与空中操作飞行器运动之间的映射转换模型；分析空中动态操作运动中飞行器的运动规划状态量所应满足的约束条件，建立运动规划的优化模型。

本发明的优点在于：

1、本发明空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，通过在多旋翼无人机上加装一对相同的仿生操作臂，并运用了仿生学的相关知识进行运动规划，实现了多旋翼飞行机器人双臂抓取的快速性、准确性、灵敏性。

2、本发明空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，在从仿生学的运动规划的角度出发，建立了鹰类抓取动物与多旋翼飞行器空中操作之间的映射关系，实现了多旋翼飞行器在高速运动中动态抓取任务，体现了仿生学在机器人相关领域应用的优越性。

3、本发明空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，通过仿生学的相关手段，从结构上建立了仿鹰爪的结构模型，为有效的完成抓取任务做出了保障。

4、本发明空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，摒弃了传统的多旋翼无人机操作臂的舵机驱动模式，采用电机驱动，克服了多旋翼无人机有效载荷不足和动力学耦合的相关问题，实现了输出力矩和速度的有效控制。

附图说明

图1为本发明空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统结构示意图；

图2为本发明空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统空中惯性测量单元安装架结构示意图；

图3为本发明空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统中仿生操作臂结构示意图。

图中：

1-多旋翼飞行器2-仿生操作臂3-飞控模块

4-惯性测量单元5-gps天线6-云台相机

7-电池8-数传电电台机载端9-接收机

10-挂载杆11-起落架12-挂载固定件

101-机身102-管座103-机臂

104-电机安装座105-电调控制器201-髋关节连接件

202-髋关节管座203-大腿杆204-膝关节连接件

205-膝关节管座206-小腿杆207-腕关节

208-机械爪209-髋关节电机210-绝对编码器a

211-膝关节电机212-绝对编码器b401-惯性测量单元安装

上板

402-惯性测量单元安装403-减震球11a-起落架固定件

下板

11b-起落架支撑斜管11c-三通连接件11d-起落架支撑横管

11e-减震棉

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，包括多旋翼飞行器1、仿生操作臂2与地面站，如图1所示。

所述多旋翼飞行器1的机身101采用由机身上板与机身下板构成的上下两层的框架结构，机身上板与机身下板间通过支撑柱相连定位，且周向均匀布置有4个管座102，进一步稳固机身上板与机身下板间的连接；同时每个管座102上插接有一根水平设置的机臂103，则机臂103共4根，且呈十字型布置。4根机臂103的外端端部安装有电机安装座104；每个电机安装座104的上部安装有电机与螺旋桨，使电机左右对称设置于机身1两侧。每个电机安装座104下部安装有电调控制器105；通过电调控制器105控制电机，由电机驱动螺旋桨旋转，为多旋翼飞行器1提供动力。

机身1上还搭载有飞控模块3、惯性测量单元4、gps天线5、云台相机6、电池7、数传电电台机载端8与接收机9。

其中，飞控模块3用于整个多旋翼飞行器的控制，安装于机身上板上。

惯性测量单元4用于测量多旋翼飞行器三轴的姿态角和加速度。惯性测量单元4安装在惯性测量单元安装架上，置于机身上板与机身下板之间中心位置。惯性测量单元安装架由惯性测量单元安装上板401、惯性测量单元安装下板402与减震球403组成，如图2所示。其中，惯性测量单元安装上板401与惯性测量单元安装下板402之间通过周向布置的4个减震球403相连，通过减震球403减弱多旋翼飞行器高低频振动对惯性测量单元4带来的影响。惯性测量单元4通过螺钉安装于惯性测量单元安装上板401上。惯性测量单元安装下板402通过螺柱安装于机身下板上，完成惯性测量单元4与机身101间的连接。

gps天线5用于多旋翼飞行器的室外定位。上述gps天线5置于gps天线架上，以便更好的接收gps信号；gps天线架通过螺钉穿过机身上板上的通孔，由用螺帽固定。

电池7用于为多旋翼飞行器供电，并通过电压集成处理模块为飞控模块3、云台相机6、数传电台机载端8与仿生操作臂2提供不同的需求电压。电池置于电池安装板上，电池安装板通过螺柱支撑于机身上板上。

数传电台机载端8用于多旋翼飞行器与地面站间的通信。数传电台机载端8安装在挂载板上，挂载板挂于水平设置的两根挂载杆10中任意一根上，两根挂载杆10与机身下板通过螺钉相连。两根挂在杆除用于挂载板10的安装，同时还用来安装仿生操作臂2。

接收机9用来接收遥控器发来的信号，并将信号发送至飞控模块3对多旋翼飞行器进行控制，以便于多旋翼飞行器在手动和自动模式下切换，接收机安装在机身上板与机身下板之间。

多旋翼飞行器下部安装有起落架11，起落架11由起落架固定件11a、起落架支撑斜管11b、三通连接件11c、起落架支撑横管11d与起落架减震棉11e组成。其中，起落架固定件11a为两个，通过螺钉与机身下板相连，分别位于机身下板外缘相对位置。起落架支撑斜管11b为两根，前端分别插接固定于两个起落架固定件11a上，并使两根起落架支撑斜管11b间夹角在70度左右。两根起落架支撑斜管11b的末端安装有三通连接件11c，三通连接件11c相对两通口内插入固定起落架支撑横管11d，起落架支撑横管11d上套有起落架减震棉11e。

所述地面站包括计算机和数传模块地面端。其中，数传模块地面端实现与机身上搭载的数传模块机载端间实时的数据交互，接收多旋翼飞行器的数据信息，并发送至计算机，由计算机实时监控多旋翼飞行器状态，并向多旋翼飞行器发送操作任务命令。

所述仿生操作臂2为两条，分别通过挂载固定件12安装于机身下板上的两根挂载杆10两端，安装方式相同。挂载固定件12具有两根连杆，两根连杆端部设计有卡槽12a，通过卡槽分别卡紧两根挂载杆10，通过调整挂载固定件在挂载杆上的位置，实现仿生操作臂2与多旋翼飞行器1之间的相对位置调节。仿生操作臂2具有两个自由度包括髋关节连接件201、髋关节管座202、大腿杆203、膝关节连接件204、膝关节管座205、小腿杆206、踝关节207与机械爪208。其中，髋关节连接件201通过螺钉与挂载固定件12连接固定。髋关节管座202两侧设计有连接轴，分别与髋关节连接件201上的两个轴承座间通过轴承相连，形成髋关节。大腿杆203末端与髋关节管座202间固定，前端固定安装膝关节连接件204。膝关节管座205两侧同样设计有连接轴，分别与膝关节连接件204上的两个轴承座间通过轴承相连，形成膝关节。小腿杆206末端与膝关节管座205间固定，前端固定安装踝关节207。踝关节207与机械爪208固定。机械爪208为单自由度机械爪，通过舵机固定件安装于踝关节207上，具有由舵机驱动开合的左半爪和右半爪，且左半爪、右半爪与舵机固定件均为3d打印制成，保证机械爪208足够轻便。

上述髋关节通过髋关节电机209驱动转动；髋关节电机209位于髋关节管座一侧，安装于髋关节连接件201上设计的电机支架上，输出轴通过联轴器与髋关节管座202上位于同侧的转轴同轴相连。髋关节的转动角度通过绝对编码器a210进行测量；绝对编码器a201位于髋关节管座202另一侧，安装于髋关节连接件201上的轴承座上，输出轴通过联轴器与髋关节管座202上位于同侧的转轴相连，且保证绝对编码器a210与髋关节管座202同速转动，从而确保测量结果准确性。同样，膝关节通过膝关节电机211驱动转动；膝关节电机211位于膝关节管座205一侧，安装于膝关节连接件204上设计的电机支架上，输出轴通过联轴器与膝关节管座上位于同侧的转轴同轴相连。膝关节的转动角度通过绝对编码器b212进行测量；绝对编码器b212位于膝关节管座205另一侧，安装于膝关节连接件204上的轴承座上，输出轴通过联轴器与膝关节管座上位于同侧的转轴相连，且保证绝对编码器b212与膝关节管座205同速转动，从而确保测量结果准确性。上述膝关节与髋关节的转动轴线平行，但膝关节电机211的输出轴朝向与髋关节电机209输出轴朝向相反，这样扩大了末端机械爪208的操作空间，避免与多旋翼飞行器间可能发生的干涉。

上述结构的空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统的抓取方法为：

a、地面站发出指令，通过数传模块地面端传送到数传模块机载端8，并最终传送到飞控模块3内；

b、飞控模块3接到指令后，根据对多旋翼飞行器空中飞行运动的规划，将解析得到的指令经电调控制器105控制电机带动螺旋桨转动。螺旋桨的转动产生不同方向的力，使得多旋翼飞行器1飞往目标点附近悬停。

c、地面站再次发出指令，飞控模块3根据空中动态操作的运动规划将操作指令传给髋关节电机209与膝关节电机211，由髋关节电机209与膝关节电机211分别带动大腿杆203与小腿杆206协调运动，由腕关节207带动机械爪208到达抓取目标位置。

d、由飞控模块3向机械爪208的驱动舵机发送信号，由驱动舵机驱动机械爪208完成对抓取目标的抓取任务。

上述步骤b中多旋翼飞行器空中飞行运动的规划，包括建模和运动规划两部分。首先，根据生物力学，利用鹰类在飞行过程中发现猎物后突然抓取猎物时的相关参数，分析鹰类在捕获猎物时其本身与鹰爪之间的作用力关系，分别建立多旋翼飞行器1仿鹰抓取的动态运动模型，包括运动学模型和动力学模型。随后通过对大量鹰抓取物体的实验数据的总结分析，提取出在抓取过程中的多旋翼飞行器1本身的运动参数、仿生操作臂2的操作参数以及被抓取对象的几何参数和物理参数，得到了多旋翼飞行器2、仿生操作臂2和被抓取对象的无量纲化优化模型；并基于无量纲化优化模型完善动态运动模型。进一步在动态运动模型基础上，将鹰类的运动状态空间以及抓取操作空间映射到多旋翼飞行器1的运动空间和仿生操作臂2的操作空间，建立了与之相对应的映射模型，从而实现了由鹰类飞行和抓取运动到多旋翼飞行器1飞行和空中操作的模型转化。最后，根据多旋翼飞行器1、仿生操作臂和被抓取对象的无量纲化优化模型，求出一般性的与时间尺度、空间尺度无关的无量纲运动解，再根据具体的不同的操作任务，回代到已经离线求解完毕的无量纲运动解中，得到了本次多旋翼飞行器空中动态操作的最优运动解，完成对多旋翼飞行器1进行运动规划。

上述步骤中，空中动态操作的运动规划，即为多旋翼飞行器抓取运动规划，方法如下：考虑了在进行抓取任务中所经历的起飞、逼近、抓取、释放等不同阶段的运动模式，针对各个不同的阶段分别建立动态运动模型，综合运用解耦、反步、自适应等多种控制方法，将多个阶段的运动规划和模型融合为一个整体，从而实现了对不同阶段的连贯飞行运动规划。其中，多旋翼飞行器1抓取运动规划对于鹰类的运动指标的评价，通过对鹰类抓取猎物时刻鹰自身速度、加速度的实验值的采集、处理，对抓取前的一段时间内鹰类本身以及鹰爪运动的跃度的平方按时间t进行积分:

将积分值u作为主要参数指标，考虑多旋翼飞行器1在运动中的受到的空间约束和时间约束条件，利用最优控制理论对多旋翼飞行器1进行抓取运动规划。上式中，为加速度向量，为速度向量，为位置向量。

基于上述多旋翼飞行器运动规划的抓取流程为：多旋翼飞行器1的两个仿生操作臂2初始处于收拢状态，收拢状态为两仿生操作臂2靠中心收拢对称的姿态，使多旋翼飞行器1重心更靠近于几何中心，有利于提升其鲁棒性和抗干扰能力。地面站首先向多旋翼飞行器1发出“起飞”指令，飞控模块3运行原有的轨迹线性化控制算法实现多旋翼飞行器2的垂直起飞，并在到达设定高度后悬停，同时向地面站返还一个完成第一步任务的信号。地面站接收到完成第一步任务的信号后，执行“逼近目标物体”任务，根据建立的运动学模型和动力学模型，由飞控模块中的运动规划算法获取逼近运动模式相关需要的参数，并代入到先前建立的无量纲化运动规划模型中，利用已经离线求得的无量纲化运动解，完成了多旋翼飞行器“逼近目标物体”的仿鹰在线运动规划，并将该结果发送给多旋翼飞行器1，多旋翼飞行器1接到指令后，按照指令给出的运动参数实现“逼近目标物体”，在完成本指令后同样向地面站返还一个完成第二步任务的信号。地面站接收到完成第二步任务的信号后，根据仿照鹰类在飞行过程中突然抓取猎物建立的运动学模型和动力学模型，利用上述的对于鹰抓取运动指标的评价，建立了拉格朗日方程和牛顿欧拉方程，再经过速度和力的雅克比矩阵变换后，执行“抓取目标物体”任务，根据建立的运动学模型和动力学模型，由飞控模块3中的运动规划算法获取抓取运动模式相关需要的参数，并代入到先前建立的无量纲化运动规划模型中，到先前建立的无量纲化运动规划模型中，利用已经离线求得的无量纲化运动解，考虑抓取过程中多旋翼飞行器1本身和仿生操作臂2之间的耦合问题，运用解耦控制的方法，给出了“抓取目标物体”的运动规划，将该结果发送给多旋翼飞行器1，多旋翼飞行器1接到指令后，按照指令给出的运动参数实现“抓取目标物体”，在完成本指令后同样向地面站返还一个完成第三步任务的信号。地面站接收到完成第三步任务的信号后，根据由无量纲化运动模型与映射模型综合得到的鹰抓取物体结束后鹰爪与自身机体的相对位置模型，发出指令让仿生操作臂2运动到对应位置后固定，依照轨迹线性化控制方法和仿鹰飞行运动规划令多旋翼飞行器1按一定轨迹“返航”。这整个过程中，将上述四步的运动规划运用混杂系统的相关理论结合为一个统一的整体，从而实现了空中操作多旋翼飞行器1的仿鹰抓取各阶段的一贯规划和连续控制。