基于机械灵巧抓手式系统的低速无人机空基回收系统的制作方法

技术特征：

1.基于机械灵巧抓手式系统的低速无人机空基回收系统，其特征在于包括：双立柱桁架机器人子系统、循环料库子系统、机械灵巧抓手子系统、视觉导航子系统和回收控制子系统；

所述双立柱桁架机器人子系统和机械灵巧抓手子系统用于对无人机进行捕捉；

所述循环料库子系统用于载机机舱内无人机的回收和码垛；

所述视觉导航子系统用于获取视觉传感器的测量数据，并根据该数据得到飞行控制系统所需的导航数据；

所述回收控制子系统用于控制无人机的飞行姿态和飞行轨迹。

2.根据权利要求1所述的基于机械灵巧抓手式系统的低速无人机空基回收系统，其特征在于所述双立柱桁架机器人子系统包括横移轴模块、竖直轴模块和抓手模块，所述横移轴模块采用齿轮齿条驱动横向移动，竖轴模块采用多层叉臂结构，所述机械灵巧抓手模块与竖轴模块相连。

3.根据权利要求1所述的基于机械灵巧抓手式系统的低速无人机空基回收系统，其特征在于所述视觉导航子系统包括设置在无人机机机体上的位姿识别辅助标志、设置在载机上的ccd摄像机及设置在ccd摄像机上的850mm近红外滤波片、视觉导航计算机和综合导航计算机；

所述位姿识别辅助标志由5个850mm近红外led组成；

所述视觉导航计算机用于图像信号的处理以及位姿参数的计算，所述综合导航计算机用于接收gps模块、惯性测量元件传感器的测量数据，并将该数据与视觉导航计算机处理结果进行数据融合，得到无人机飞行控制系统所需的导航数据，该数据经由通讯链路传送至无人机。

4.根据权利要求3所述的基于机械灵巧抓手式系统的低速无人机空基回收系统，其特征在于所述视觉导航子系统的执行如下操作：

s1、利用ccd摄像机及850mm近红外滤波片获取待测目标图像；

s2、利用视觉导航计算机对获取的图像进行预处理；

s3、利用视觉导航计算机对预处理后的图像进行无人机的特征点提取；

s4、利用视觉导航计算机判断获取的特征点是否满足位姿估计要求，若满足则执行s5；若不满足则执行s1；

s5、利用视觉导航计算机根据获取的特征点进行无人机的位姿与姿态的估计。

5.根据权利要求1所述的基于机械灵巧抓手式系统的低速无人机空基回收系统，其特征在于所述回收控制子系统的设计过程如下：

步骤一：建立无人机机体坐标系下位置姿态耦合对偶四元数动力学方程；

步骤二：利用快速非奇异终端滑模技术设计控制器。

6.根据权利要求5所述的基于机械灵巧抓手式系统的低速无人机空基回收系统，其特征在于所述步骤一具体包括以下步骤：

步骤一一：对无人机位姿耦合运动学和动力学方程建立所需坐标系定义；

步骤一二：建立无人机机体坐标系下质心运动学模型；

步骤一三：建立无人机机体坐标系下绕质心转动的运动学方程；

步骤一四：建立无人机机体坐标系下质心运动的动力学方程；

步骤一五:建立无人机机体坐标系下绕质心转动的动力学方程；

步骤一六：根据步骤一一至步骤一五得到描述无人机的空间运动方程组，并运用对偶四元数求解位姿耦合动力学方程。

7.根据权利要求6所述的基于机械灵巧抓手式系统的低速无人机空基回收系统，其特征在于所述步骤一一的详细步骤为：

步骤一一一、地面坐标系：

axyz，a是发射点即起飞时刻无人机质心所在的位置，ax是在包含了地球质心、a点，目标点t的地球大圆内，与该地球大圆相切，指向目标方向为正，ay是在oeat平面内，过a点垂直与ax指向上为正，az轴与其它两个轴垂直并构成右手坐标系；

步骤一一二、机体坐标系：

oxbybzb，o位于飞行器的质心，oxb轴在飞行器对称平面内，平行于机身轴线或机翼的平均气动弦线，指向前为正，ozb轴亦在对称平面内，垂直于oxb轴指向下为正，oyb轴与其它两个轴垂直并构成右手坐标系；

步骤一一三、气流坐标系：

oxayaza，气流坐标系又称速度坐标系，o位于飞行器质心，oxa轴始终指向飞行器的空速方向，oza轴位于对称平面内，垂直于oxa轴，指向下为正，oya轴与其它两个轴垂直并构成右手坐标系；

步骤一一四、航迹坐标系：

oxkykzk，航迹坐标系又称弹道固连坐标系，o位于飞行器质心，oxk轴始终指向飞行器的地速方向，ozk轴位于包含oxk轴铅垂面内，垂直于oxk轴，指向下为正，oyk轴与其它两个轴垂直并构成右手坐标系。

8.根据权利要求7所述的基于机械灵巧抓手式系统的低速无人机空基回收系统，其特征在于所述步骤一二中无人机机体坐标系下质心运动学模型的表达式为：

展开后为：

其中，

为机体坐标系与地面坐标系之间的转换矩阵，人机飞行速度在机体坐标系下的表示为[u,v,w]^t；

所述步骤一三中无人机机体坐标系下绕质心转动的运动学方程的表达式为：

展开后得：

所述步骤一四中无人机机体坐标系下质心运动的动力学方程的表达式为：

其中，cx0是零升阻力，是攻角变化所产生的诱导阻力系数，是侧滑角变化所产生的诱导阻力系数，cy0是攻角为零时的升力系数，是升力系数关于攻角的偏导数，为升力系数关于z方向舵偏的偏导数，为侧向力关于侧滑角的偏导数，为侧向力关于z方向的舵偏的偏导数，表示动压大小，ρ为空气密度，在无人机飞行高度变化不大的情况下可视为常值，s为无人机浸润面积。

9.根据权利要求8所述的基于机械灵巧抓手式系统的低速无人机空基回收系统，其特征在于所述步骤一五中无人机机体坐标系下绕质心转动的动力学方程的表达式为：

所述步骤一六中描述无人机的空间运动方程组表达式为：

对偶四元数动力学方程：

其中，表示一般性刚体运动，先转动q^b接着平动p^b，该运动的角速度记为ξ^b，ε为幂零项，即ε²＝0,ε≠0，p^b，ξ^b是在本体坐标系下表示的平动和角速度；

p^b＝(xyz)^t,q^b＝(θψφ)^t,ξ^b＝(0pqr)^t,结合上述无人机空间运动方程组，可得

其中，

其中，

运用单位对偶四元数理论可以将上述运动方程组改写为：

m＝[εj^-1c+εa]；

基于对偶四元数跟踪误差以及速度旋量跟踪误差可以得到无人机的误差运动学和动力学方程：

进一步展开整理为：

10.根据权利要求9所述的基于机械灵巧抓手式系统的低速无人机空基回收系统，其特征在于所述步骤二中控制器的表达式为：

若或成立，则上式变为快速终端滑模面，即将不断趋近于原点，且该收敛过程将持续到和均成立时结束。