一种基于视觉和力反馈的四旋翼飞行器进行空中抓取作业的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种四旋翼飞行器空中抓取作业系统，引入力觉反馈并结合视觉反馈 来提高物体抓取的准确性和稳健性。特别适用于要求一次性抓取且抓取过程不允许剧烈晃 动的易碎、不稳定的物体。
【背景技术】
[0002] 随着制造成本的降低和控制技术的成熟，旋翼型飞行器在航拍、侦查领域已经得 到广泛应用，而在短程货物配送W及物体抓取作业方面业已成为研究的热点。国外网络零 售巨头亚马逊和国内快递公司顺丰先后在旋翼型无人机短程货物配送方面投下大量研发 资金并不断取得新的成果，但是该些配送物品的装入和卸下大多依靠人工而非机械手自动 抓取，配送效率低下。众多的研究院所也在旋翼型飞行器的物体抓取方面做出探索，主要集 中于基于视觉的单边遥控抓取和基于视觉伺服的自主抓取。前者将飞行器和机械手仅仅作 为执行机构，通过人眼或摄像头获取飞行器与被抓取物体的状态信息，然后不断调整飞行 状态W完成物体的抓取；该种方式虽然技术简单容易实现，但作业效果与操作员经验和状 态密切相关，因而抓取精度低且效果不稳定。后者主要是将视觉定位和飞行器控制算法结 合在一起，着重于物体识别、定位和飞行控制算法研究，适用于特定物体和特定环境下的快 速抓取，但是该方法技术实现难度大、应用灵活性差。
[0003] 随着双边遥操作概念、力反馈技术的日臻完善，遥控操作人员将不再是执行机构 的命令发送方，而且可W通过力反馈设备与操作环境相交互，使操作人员具有良好的临场 感和沉浸感，该样不仅可W降低了操作人员的工作难度而且可W大大提高执行机构的控制 精度。
【发明内容】
[0004] 针对飞行器在危险物品处理、特殊物品搬运等领域对抓取精度要求高、作业过程 稳定性强W及操作简单、灵活等应用要求，本发明提供了一种基于视觉和力反馈的四旋翼 飞行器进行空中抓取作业的控制方法，能够克服【背景技术】中所提到的单边遥控方式抓取精 度低、操作难度大和自主抓取难度大、应用局限等缺点。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0006] 一种基于视觉和力反馈的四旋翼飞行器进行空中抓取作业的控制方法，其中，四 旋翼飞行器的下端连接有用于抓取的=自由度机械臂，其特征在于，包括如下步骤：
[0007] 步骤一、获取四旋翼飞行器姿态传感器的S轴加速度a,、a,、a,和S轴角加速度 对获取的姿态传感器数据进行融合得重力加速度在载体坐标系下各轴的分量 Ax、Ay、Az;
[000引步骤二、将步骤一融合得到的分量Ax、Ay、A,转换为力反馈手控器执行末端在其坐 标系下应受反馈力Fx、Fy、Fz;
[0009] 步骤=、操作员根据反馈力的大小和方向并结合视觉信息控制四旋翼飞行器的运 动W及机械手的抓取作业。
[0010] 步骤一得到分量A,、Ay、A煎方法为：周期性地采集四旋翼飞行器上的姿态传感器 的原始姿态数据a,、ay、a,、使用数字低通滤波器消除高频干扰，通过卡尔曼 滤波算法对四旋翼飞行器姿态传感器数据进行融合得重力加速度在载体坐标系下各轴的 分量Ay、Ay、Az。
[0011] 所述步骤二中转换的方法为：
[0012] 根据分量Ax、Ay、Az，得到俯仰角d)和横滚角疗：
[001 引
[0014] 定义反馈力产生矩阵
反馈力矩阵
[0015] 其中，a,b，C为反馈力系数；
[0016] 计算反馈力F;F=TY。
[0017] 所述步骤=中控制四旋翼飞行器的方法为，通过改变操作末端坐标X，y，Z的位置 控制飞行器的飞行，具体是：
[001引基于四旋翼的飞行控制原理得到四个旋翼产生的升力Fi、F2、F3、F4:
[0019]
[0020] 其中K为力反馈手控器控制灵敏度系数，G为是飞行器重量，1为四旋翼重屯、到螺 旋奖轴线的距离；
[002U计算四旋翼各电机的电压量Vi、V2、V3、V4:
[0022]
[0023] 其中k为变换系数。
[0024] 本发明基于视觉和力反馈的四旋翼飞行器进行空中抓取作业的控制方法，其系统 平台包括控制端、作业端和通讯环节。其特征是；控制端包括控制中屯、、六自由度力反馈手 控器，力反馈手控器包括=个位置自由度、=个关节自由度w及一对控制键。力反馈手控器 的=个位置自由度可W产生空间位置信息，控制中屯、根据力反馈手控器产生的空间位置信 息生成四旋翼飞行器左转/右转、上升/下降、前进/后退方向的飞行控制命令；力反馈手 控器的=个位置自由度对应于反馈力的执行机构，控制中屯、根据四旋翼飞行器的姿态信息 产生反馈力执行机构所需的命令码；力反馈手控器的=个转动自由度与机械臂的=个关节 相映射，用于机械臂的运动控制；力反馈手控器的一对控制键与机械手张合相对应，用于机 械手的抓放控制。作业端包括四旋翼飞行器、摄像头和=个自由度机械臂（含机械手）等。 四旋翼飞行器接收控制端发来的飞行控制命令进行相应的机动或悬停，摄像头获取飞行器 所在空间和抓取作业空间的视觉信息，机械臂和机械手接收运动控制命令进行相应动作W 完成物体的抓取和释放。通信环节在控制端和作业端各有一个无线收发模快，用于飞行器 控制命令、机械臂控制命令、飞行器姿态信息W及视频信息在控制端和作业端之间的传输。
[0025] 针对现有技术的不足和飞行器抓取作业在危险物品处理领域的应用要求，本发明 具有如下优点：一、将力反馈引入到飞行器运动控制中，使得飞行器更易控制；二、将抓取 位置的确定过程分解为飞行器运动控制和机械臂运动控制两部分，使得抓取更准确；=、将 物体抓取过程中机械手的受力作为扰动引入到飞行器的飞行控制中并加W抵消，使得抓取 过程更稳健。
【附图说明】：
[0026] 图1是系统结构示意图；
[0027] 图2是S个自由度机械臂结构图；
[002引图3是六