旋翼无人机快速抓取过程的动态稳定性与实时轨迹规划

Now the velocities of flying robot are limited in lots of situation based on quasi-static models during the grasping. However, the high-speed aerial grasping will lead the instability of system because the inertia impact of the load and the coupling motion between the manipulator and base body. Toward autonomous avian-inspired grasping, the stability problem caused by inertial impact of load will be solved by real-time trajectory planning under dynamic constraints base on differential Flatness theory. Furthermore, in order to solve the stability problem caused by coupling motion between the manipulator and base body, the method of Lyapunov exponent will be applied to analyze the stability region of state (attitude, speed, acceleration, etc.) during grasping of different mass load. Moreover, this research will improve the dynamic stability of aerial manipulator interactive with environment, and promote the mutual penetration and development of trajectory planning and stability theory.

目前旋翼无人机基于准静态模型的抓取控制方式，限制了其在速度和时间等要求高场合的应用和发展，而在快速动态抓取过程中，负载的惯性冲击、机械臂和本体的耦合运动等极易导致失控坠机等运动稳定性问题。针对这个问题，本项目拟借鉴鹰捕猎时的肢体协调运动方式，基于微分平坦理论实现动力学约束条件下运动轨迹的实时规划，解决负载惯性冲击导致的系统运动稳定性问题。并在此基础上，结合李雅普诺夫指数方法，量化的分析抓取不同质量负载时系统各个状态量（姿态、速度、加速度等）的稳定域区间，确保轨迹规划过程中整个系统的动态稳定性，解决机械臂和本体耦合运动导致的运动稳定性问题。本项目的实施，对于实现旋翼无人机快速动态抓取过程的稳定性控制，提高其与环境交互过程的快速性和平稳性，促进轨迹规划理论和稳定性分析方法相互渗透和发展等都具有重要的理论和现实意义。

目前旋翼无人机基于准静态模型的抓取控制方式，限制了其在速度和时间等要求高场合的 应用和发展，而在快速动态抓取过程中，负载的惯性冲击、机械臂和本体的耦合运动等极易导 致失控坠机等运动稳定性问题。针对这个问题，本项目基于微分平坦理论实现动力学约束条件下运动轨迹的实时规划，解决负载惯性冲击导致的系统 运动稳定性问题。并在此基础上，结合李雅普诺夫指数方法，量化的分析抓取不同质量负载时 系统各个状态量（姿态、速度、加速度等）的稳定域区间，确保轨迹规划过程中整个系统的动 态稳定性，解决机械臂和本体耦合运动导致的运动稳定性问题。相关成果发表在《机械工程学报》、《Journal of Field Robotics》、《兵器装备工程学报》、《Intelligent Automation & Soft Computing》、《高技术通讯》等杂志，申报专利12项，授权发明专利2项，实用新型7项；培养研究生11名，其中博士生1名，硕士生10名；完成仿真及实验平台1套。成果已经成功的应用于生态环境监测当中，获批江苏省生态环保厅环保课题《基于无人机测绘平台的环境快速监测与采样技术研究》1项，基于无人机实现了气体、水样等自主监测和取样，提高了整个系统采样过程的轨迹规划效率和控制的运动稳定性。应用于海洋和气象观测领域，基于无人机、无人艇和波浪滑翔机等多智能体实现中尺度涡旋的协同观测，获批重点研发课题《海上区域快速接入组网及控制技术》1项，并完成结题，获得江苏省人工智能科技奖和有效人工智能解决方案。同时，相关研究成果已在无人船、水下机器人等相关机器人的运动稳定性、可靠性领域得到了较好的应用。相关技术应用在了军工领域中的无人机协同侦查领域，获批国防重点实验室基金项目《无人机集群分布式控制技术》1项，在陆军组织的任务规划应用创客大赛中获得二等奖。