旋翼机器人仿生物灵巧型协作中的轨迹动态优化与抗扰追踪技术研究

This project aims to develop effective trajectory generation and tracking approaches for the cooperation of multi-rotor flying robots in aggressive manner. Both theoretical basis and technical implementation in real-time flight will be thoroughly investigated. Four issues are considered in this project: 1) Firstly, the aerodynamic model of the multi-rotor flying robots will be established based on the theoretical analysis and experimental verification; 2) Then a robust trajectory tracking controller, capable of the aerial disturbance rejection between multiple flying robots, as well as the compensation of the time-delay, will be developed; 3) A computationally efficient trajectory generation approach for the formation of the multi-rotor flying robots will be proposed for the real-time path planning; 4) Lastly, a framework for the control system of the cooperation of the multiple flying robots in aggressive manner will be developed based on the robotic operation system, and real-time experiments will be conducted to verify the developed methodologies.

协同作业是有效提升旋翼机器人作业能力与可靠性的重要途径。目前虽有部分研究实现了多机器人的协同飞行，但其灵巧特性远低于同类自然生物。其主要原因在于当前面临协作运动规划实时性能较低、轨迹追踪抗扰性能较差，以及对近距离情形下的机体间空气动力学特理解尚不全面等多重问题。本研究项目拟以敏捷协作飞行为目标，研究旋翼机器人协同作业当中所涉及的机体间空气动力学特性、高效轨迹生成方法与综合补偿时滞及气流扰动的高性能轨迹追踪技术，为旋翼机器人在动态环境下的协作飞行提供理论与实践支撑。本研究 主要内容包括：1) 建立旋翼机器人机体间空气动力学作用模型；2) 轨迹追踪控制中的时滞以及气流扰动特性分析与补偿控制器设计；3) 针对多机协作的最速飞行轨迹实时生成方法； 4) 基于机器人操作系统的旋翼机器人敏捷协作飞行控制系统开发，并应用于具体的飞行作业环境。

本项目针对多飞行机器人的敏捷飞行控制技术进行了研究。具体工作与成果包括以下几方面：一是针对旋翼机器人的动力学进行建模，并提出了基于扩张观测的主动抗扰飞行技术，提升了旋翼机器人飞行控制的鲁棒性；二是提出基于样条转接以及拟合的在线轨迹生成方法，提高机器人的实时飞行性能；三是建立了基于微分求积方法的系统时滞分析与稳定性判定方法，该方法提高了控制系统优化效率；四是提出了基于赋权扩张树的分布式轨迹规划方法，实现了多个旋翼机器人的高效合作。基于上述理论研究，最后搭建了多旋翼机器人集群控制原型系统，并在该系统上验证了所提出方法的有效性与先进性。结果表明，在同等实验条件下，本研究所提出方法有效提升了多飞行机器人的控制性能，并且采用分布式控制达到了目前研究水平下中心式控制的轨迹规划效率。其中轨迹规划效率相对研究现状提升了50％以上，轨迹追踪控制精度在5厘米以内。本研究的成果有望拓展应用于协同侦查、地外探测以及大型基础设施巡检等任务。