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無人機(jī)整機(jī)
無人機(jī)配件
無人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具全文1942字，預(yù)計閱讀時間5分鐘
原創(chuàng) | 季夢玉
編輯 | 呂嘉玲
筆者之前簡單地認(rèn)為，空中作業(yè)機(jī)器人不就是無人機(jī)+機(jī)械臂嗎？這兩項技術(shù)如此成熟，結(jié)合起來應(yīng)該也難不到哪里去。后來深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)空中作業(yè)機(jī)器人沒那么簡單。不管什么東西，從1個變成3個都會有翻天覆地的變化，它們的復(fù)雜程度不在一個量級上?？罩凶鳂I(yè)機(jī)器人亦是如此。在上一篇我們的文章中（文章鏈接），主要介紹了空中作業(yè)機(jī)器人的分類。本篇文章主要介紹它在實際生活中的用途，以及涉及到的技術(shù)難題和解決方法。
空中作業(yè)機(jī)器人可以幫助人類在實際生活中做什么事呢？人類的好幫手如圖1，比利時初創(chuàng)企業(yè) ART Robotics 開發(fā)的機(jī)器人HELIOS 系統(tǒng)，由六軸無人機(jī)+清掃機(jī)器人組成，專門用于清理屋頂?shù)?a href="http://www.hldxsj.cn/sell/list-325.html" title="太陽能" target="_blank">太陽能電池板[1]。
圖1. 機(jī)器人清掃太陽能電池板[1]
如圖2所示，由韓國首爾大學(xué)研發(fā)的這款機(jī)器人可以自由伸縮，用于撿海面上或深溝里的垃圾[2]：
圖2. 可伸縮機(jī)器人[2]
賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計的4軸無人機(jī)+2自由度機(jī)械臂可以實現(xiàn)末端的位置和姿態(tài)軌跡跟蹤[3]，用于高空噴涂（圖3）和空中攝像（下面的視頻）等。其中，空中攝影要求末端相機(jī)始終指向目標(biāo)物，同時末端的相機(jī)始終處于水平平面上，不能有傾斜。這就要求系統(tǒng)必須規(guī)劃出一條在構(gòu)型空間動力學(xué)可行的路線，使末端具有6D軌跡跟蹤的能力。但是這個僅僅是仿真，還沒有做出實物實驗。
圖3.高空噴涂[3]
視頻1. 空中攝像[3]
另外，還有NASA-Jet實驗室設(shè)計的機(jī)器人由六軸無人機(jī)+3自由度機(jī)械臂組成，可以像運動員一樣身影矯健得做單杠運動[4]。這個也是仿真，還沒有做出實物實驗。
視頻2.空中作業(yè)機(jī)器人做單杠運動[4]
總結(jié)一下，以上幾個實驗或仿真涉及到的技術(shù)有：末端的柔順控制，末端位姿軌跡跟蹤和高動態(tài)運動控制等。
這里先介紹我正在研究的第二個問題：末端位姿軌跡跟蹤。其余兩個問題以后再介紹。末端位姿軌跡跟蹤針對我們的4軸無人機(jī)+n自由度的機(jī)械臂系統(tǒng)，目前解決末端位姿軌跡跟蹤這個問題有兩種方法：基于動力學(xué)解耦的控制方法和微分平坦法。
01 - 動力學(xué)解耦
4軸無人機(jī)是個欠驅(qū)動系統(tǒng)，因此我們的空中作業(yè)機(jī)器人也是欠驅(qū)動系統(tǒng)。無人機(jī)有4個控制量，這意味著它的位置和姿態(tài)不能單獨控制，是耦合在一起的。對于末端 6D軌跡跟蹤的任務(wù)，給定末端任意軌跡，在系統(tǒng)構(gòu)型空間內(nèi)不一定有解。那么我們該如何解決這個問題呢？文章[3]和[5]提出了一種動力學(xué)解耦的方法，即將整個系統(tǒng)看作是多組合的剛體，然后分別寫出系統(tǒng)瞬時重心的平移方程和剩余部分的旋轉(zhuǎn)方程。如圖4，動力學(xué)解耦將系統(tǒng)分成兩個部分：平移部分和旋轉(zhuǎn)部分，相當(dāng)于將系統(tǒng)的欠驅(qū)動部分提取出來，剩下的旋轉(zhuǎn)部分為全驅(qū)動系統(tǒng)。
圖4. 動力學(xué)的平移部分和旋轉(zhuǎn)部分[3]
文章[6]的動力學(xué)解耦法將系統(tǒng)分成3個部分：瞬時重心的平移部分，無人機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動，剩余機(jī)械臂的運動。平移部分和無人機(jī)旋轉(zhuǎn)部分便可以應(yīng)用無人機(jī)成熟的控制律，剩下的全驅(qū)動部分就比較容易設(shè)計控制律了。這個方法的優(yōu)點是可以充分利用無人機(jī)成熟的控制算法，缺點是每個控制環(huán)計算量比較多，對機(jī)上算力要求高，實時性可能不太好。
02 - 微分平坦法
另外還有一種方法為微分平坦法。具有這個性質(zhì)的系統(tǒng)可以自動生成一條動力學(xué)可行的光滑軌跡。只要確定了末端軌跡以及它們的導(dǎo)數(shù)，則系統(tǒng)的狀態(tài)量以及它們的有限階導(dǎo)數(shù)都可以通過公式推導(dǎo)出顯性的解析表達(dá)式！舉個例子，大家就理解了。如下圖所示，這個是由4軸無人機(jī)+2自由度機(jī)械臂組成，跟文章[7]一樣執(zhí)行空中攝像任務(wù)。那么我們要求，末端相機(jī)按照圖中藍(lán)色的軌跡走，同時末端z軸指向球心，y軸一直在水平面內(nèi)。那么知道了末端這么走，我們卻不知道無人機(jī)該怎么飛，機(jī)械臂的每個關(guān)節(jié)角該怎么走。因此，微分平坦的工作就是知道了末端的軌跡以及它們的導(dǎo)數(shù)，經(jīng)過一系列公式推導(dǎo)，獲得無人機(jī)位置，姿態(tài)，和每個關(guān)節(jié)角度和它們的速度以及加速度關(guān)于末端軌跡的函數(shù)。
視頻3. 筆者復(fù)現(xiàn)的文章[7]末端位姿跟蹤動圖
但是，文章[3]和[7]中對空中作業(yè)機(jī)器人都提出了幾何限制，只有特定構(gòu)型的空中作業(yè)機(jī)器人才能利用這個性質(zhì)。文章[7]指出，只有系統(tǒng)的質(zhì)心在末端坐標(biāo)系中的坐標(biāo)是固定不變的，系統(tǒng)相對于末端的平坦輸出才是微分平坦的。文章[3]在文章[7]的基礎(chǔ)上，提出了新的平坦輸出，同時證明4軸無人機(jī)+n自由度機(jī)械臂的系統(tǒng)是微分平坦的。但是系統(tǒng)的內(nèi)運動學(xué)可能是不穩(wěn)定的，只有對于特定構(gòu)型的機(jī)器人才是穩(wěn)定的。對于這類內(nèi)運動學(xué)不穩(wěn)定的機(jī)器人，同樣不能用微分平坦這個性質(zhì)。這個方法的優(yōu)點是：不需要軌跡規(guī)劃這一部分，直接通過計算得到任意軌跡對應(yīng)的控制輸入，使末端軌跡更加穩(wěn)定和順滑；允許空中作業(yè)機(jī)器人的大機(jī)動飛行。缺點是：這個方法的理論推導(dǎo)比較復(fù)雜；能夠用這個性質(zhì)的機(jī)器人需要滿足特定構(gòu)型。關(guān)于末端的柔順控制和高動態(tài)運動控制這兩個問題，都非常有意思，這里先占個坑，以后我們再來探討。請讀者們耐心等待哦！
參考資料
[1] https://mp.weixin.qq.com/s/inrhYCF3dDvuFjLjo6TuGw
[2] Evandro Bernardes,Stéphane Viollet,Design of an Origami Bendy Straw for Robotic Multistable Structures, Journal of Mechanical Design, 144, 3, (2021).https://doi.org/10.1115/1.4052222
[3] J. Welde, J. Paulos and V. Kumar, "Dynamically Feasible Task Space Planning for Underactuated Aerial Manipulators," in IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 6, no. 2, pp. 3232-3239, April 2021, doi: 10.1109/LRA.2021.3051572.
[4] https://doi.org/10.48550/arXiv.2107.03722
[5] Yang, H. , & Lee, D. . (2014). Dynamics and control of quadrotor with robotic manipulator. IEEE International Conference on Robotics & Automation. IEEE.
[6] G. Garofalo, F. Beck, and C. Ott, “Task-Space tracking control for underactuated aerial manipulators,” in Proc. Eur. Control Conf., 2018,pp. 628–634.
[7] J. Welde and V. Kumar, "Coordinate-Free Dynamics and Differential Flatness of a Class of 6DOF Aerial Manipulators," 2020 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2020, pp. 4307-4313, doi: 10.1109/ICRA40945.2020.9196705.
本文由西湖大學(xué)智能無人系統(tǒng)實驗室博士生季夢玉原創(chuàng)，申請文章授權(quán)請聯(lián)系后臺相關(guān)運營人員。
歡迎來到西湖大學(xué)智能無人系統(tǒng)實驗室！我們的實驗室專注于小型無人機(jī)（UAV）的基本理論和新應(yīng)用。技術(shù)研究領(lǐng)域包括（i）單無人機(jī)的制導(dǎo)，導(dǎo)航和控制，（ii）多無人機(jī)的集群系統(tǒng)，以及（iii）基于視覺和其他類型的傳感器的智能傳感系統(tǒng)。目前，我們有十多個小組成員，包括博士后，博士生，研究助理和訪問學(xué)生。他們都畢業(yè)于中國和海外的頂尖大學(xué)。我們擁有一流的實驗設(shè)備，如Vicon，動作捕捉系統(tǒng)和各種實驗無人機(jī)平臺。
歡迎來到西湖大學(xué)智能無人系統(tǒng)實驗室！ 小型旋翼無人機(jī)在民用和軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，涉及到眾多的科學(xué)研究問題。 西湖大學(xué)“智能無人系統(tǒng)實驗室” 關(guān)注于微小型無人機(jī)的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究，面向國家和社會重大需求，專注于從事高影響力的研究工作。 實驗室目前關(guān)注的研究領(lǐng)域包括單無人機(jī)系統(tǒng)的導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、多無人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同控制與估計、以及基于視覺和多種傳感器的智能感知系統(tǒng)。 實驗室具有一流的科研設(shè)施、完善的工作條件、活躍的科研氛圍。 目前實驗室已有十幾名優(yōu)秀團(tuán)隊成員，分別來自國內(nèi)外著名高校。 此外，實驗室具有高精度VICON室內(nèi)定位系統(tǒng)、一系列空中和地面機(jī)器人平臺、GPU計算服務(wù)器、3D打印機(jī)等設(shè)施，為開展相關(guān)研究和實驗奠定了良好基礎(chǔ)。
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