作业型飞行机器人的动态飞行抓取运动动力学规划研究

Aiming to solve the problems of the aerial manipulator robotic system dynamic flying grasping in an outdoor environment, this project tries to investigate kinodynamic motion planning methods under disturbances of the complicated wind and uncertainties of the coupled force, and makes breakthroughs on safety and reliability of the dynamic grasping and robust flying. The research contents include: (a) Aiming at the characteristics of the complicated wind, space limitation and coupled force, parameters variation of the system’s dynamic model will be analyzed, and a real time estimating method based on experimental data and machine learning technique will be established to acquire a precise dynamic model. (b) Facing to the varieties of uncertain conditions in the grasping contact mode, a grasping model and its relating force disturbing model will be established and trained by using flexible grasping templates and preliminary experimental data. Moreover, adversarial training will be adopted to improve adaptability of the models. Then, a fast kinodynamic motion planning method based on constraint of the flight envelope will be designed to realize safe and reliable grasping behaviors under uncertainty of the external forces. (c) An estimating method for the Center of Gravity (CoG) of the coupled system after successful grasping will be investigated, and system properties and safe regions of the control variables will be analyzed. Then, a posture alignment planning method based on the CoG estimation will be designed to ensure the robustness of the system. Finally, an outdoor experiment of dynamic flying grasping will be conducted to show effectiveness of the project. This project provides an academic exploration for aerial manipulator robotic system and its applications, whose foreseeable results show huge applicable potentials. Meanwhile, this project has significance on promoting intelligent autonomous working research of the others robotic systems.

针对作业型飞行机器人在室外环境中的动态飞行抓取难题，研究复杂风扰、力耦合不确定下的运动动力学规划方法，重点突破动态抓取安全可靠性和飞行鲁棒性。内容包括：（1）针对作业型飞行机器人的复杂风扰、空间限制和力耦合特性，分析系统动力学参数变化，建立基于实验测试数据和机器学习的系统参数实时估计方法，获得准确动力学模型；（2）面对抓取接触模态下多种不确定性情况，利用灵活抓取模板和前期实验数据，构建和训练抓取方式及力扰动模型，采用对抗训练方式提高模型的适应性，设计基于安全飞行包线的快速运动动力学规划方法，实现外力不确定下的安全可靠抓取行为；（3）研究抓取成功后耦合新系统的重心估计方法并进行系统性能和安全域分析，设计动态重心调姿规划方法保证系统飞行鲁棒性。最后完成室外动态飞行抓取任务。本项目是对作业型飞行机器人系统及应用的探索，研究成果具有巨大的应用潜力，同时对其他机器人的智能自主作业研究具有启发意义。

作业型飞行机器人相关技术的研究在救灾救援、科考采样、国防等领域均具有重要意义。科考上，作业型飞行机器人广泛应用于科考任务，能迅速到达地面机器人和人力无法进入的复杂地貌环境（山谷、穿越河流、火山、极地等）替代人力完成样品采集任务、执行安装、回收测量设备等精细作业任务具有重要意义；此外，在救援救灾、国防等领域，多个作业型飞行机器人协同作业在搬运和装配较大的负载等大型作业任务中扮演着重要的角色。从长远来看，飞行机器人与不同类型的主动操作机构结合，可以突破传统观念，构建新概念多栖息移动作业平台。..本项目将针对作业型飞行机器人的动态飞行抓取难题，在国内外已有的成果和研究基础上，重点研究和突破：综合考虑作业型飞行机器人系统的运动学和动力学耦合机制及复杂风扰、外力耦合情况下的系统动力学参数实时估计方法；不同接触方式下的外力接触到规划设计动力学约束的合理转化机制；面向抓取成功后作业型飞行机器人与目标物体构成的新型系统的动态重心调姿规划方法；为作业型飞行机器人提供真实值测试平台并在室外环境中开展探索性任务验证试验。..本项目对旋翼飞行机器人上挂载机械臂等主动作业机构的新型耦合机器人系统建立作业型飞行机器人系统的运动学和动力学模型，发明了动力学参数动态估计方法，解决了在接触和非接触两个模态切换下作业型飞行机器人动力学模型存在误差大、不确定性等难题；基于抓取接触方式模型并进行力学分析和动力学参数分析，设计抓取接触模态下克服接触力不确定性的高效可靠运动动力学规划方法；突破了飞行动态抓取过程中不同接触方式的力耦合特性，为作业型飞行机器人的有效抓取作业提供支撑；提出系统重心估计方法和动态重心调姿规划方法，解决了抓取成功后搬运调姿模态下存在新系统结构和重心不确定性的问题。..项目所取得的理论与方法对于提高我国作业型飞行机器人规划和控制技术、服务于国家重大工程和科考等领域，具有重要的理论和应用意义。