CN107933915A - 一种基于六旋翼无人机的空中机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于六旋翼无人机的空中机器人，它包括六旋翼无人机、机载控制系统和二自由度机械臂，六旋翼无人机为六旋翼飞行器，六旋翼无人机机身顶部安装有机载控制系统，六旋翼无人机机身底部安装有二自由度机械臂；机载控制系统包括飞行控制系统与机械臂控制系统。本发明解决了六旋翼无人机与外部环境交互作业的问题，实现了对空中或地面目标的捕捉，扩大空中机器人的应用范围，还具有稳定可靠、安全灵活、操作方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种空中机器人，尤其是一种基于六旋翼无人机的空中机器人。
背景技术
六旋翼无人机是一种装备有自动控制器、通信系统、传感器及数据处理单元等航空电子设备，并能够在无人干扰的情况下完成自主飞行任务的无人驾驶的飞行系统。它可根据机载设备对自身飞行状况及周边环境进行量化评估，从而制定合理的应对措施与飞行策略。另外，在自身机械机构出现故障时，六旋翼无人机还能根据当前结构特点采取最优解决方案。由于这些独特的优势，六旋翼无人机逐渐成为难以替代的空中平台，在军事与民用上有着广泛的应用。在军事上，它可用于战场勘察、禁飞巡逻、电子对抗、情报获取等任务；在民用上，它可用于环境监测、电力检测、高压巡线、森林防火、农林喷雾等作业。
目前，国内外执行高空作业的机械臂无法自由快速运作且存在地形和高度的局限性，若将机械臂加装到旋翼飞行器上，则可大大增加机械臂操控的自由度，扩大机械臂的应用范围。六旋翼无人机不需要跑道就能够自动起飞与降落，且能够实现定点悬停。另外，六旋翼无人机比四旋翼无人机多了一对冗余桨叶，故抗风性能更强。因此，将机械臂装载到六旋翼无人机上，可以提高机械臂作业时的稳定性与鲁棒性。
带机械臂的单旋翼空中机器人有广阔的应用前景，例如它能够迅速到达地面机器人无法进入的特殊环境(如火灾、水灾、地震灾害现场)执行安装或回收作业设备等精细任务。在现有的技术中，基于旋翼飞行器的空中机器人能够在三维空间中自由运动，具有垂直起降、定点悬停、灵活性高、机动性强的优点，可以代替人类完成高危环境信息获取与作业等任务。
发明内容
为解决现有技术存在六旋翼无人机与外部环境交互作业的缺陷，本发明提供一种基于六旋翼无人机的空中机器人，能够拓展空中机器人的应用领域，协助人工执行一些高危作业任务，降低人员伤亡的可能性，提高作业效率。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于六旋翼无人机的空中机器人，它包括六旋翼无人机、机载控制系统和二自由度机械臂，六旋翼无人机为六旋翼飞行器，六旋翼无人机机身顶部安装有机载控制系统，六旋翼无人机机身底部安装有二自由度机械臂；
机载控制系统包括飞行控制系统与机械臂控制系统，飞行控制系统实时采集六旋翼无人机的飞行数据，处理后产生指令实时传输，来控制六旋翼无人机的六个旋翼电机，机械臂控制系统实时采集二自由度机械臂各关节的位置及姿态信息，处理后发出指令来调整各转动关节的角度和夹持器的位置及姿态。
进一步地，六个旋翼电机为3508-690kv无刷电机，且其转向两两相反；
六个旋翼电机由六个电调控制，并分别与对应六个旋翼相连。
进一步地，六旋翼无人机机身包括脚架、机臂、中心板和挂载杆，六个机臂末端的电机座上分别对应安装有六个旋翼，中心板正下方设有挂载杆，挂载杆下方挂有锂电池；
中心板上安装有机载控制系统，挂载杆与二自由度机械臂固接；
中心板为U型连接板。
进一步地，六旋翼无人机机身采用碳纤维材质；
六个旋翼均采用尼龙碳纤玻纤复合材质。
进一步地，二自由度机械臂包括基座、前端连杆、后端连杆、夹持器和舵机模块，基座的前端与六旋翼无人机的挂载杆固接，基座的后端通过第一转动关节与前端连杆连接，前端连杆与后端连杆之间通过第二转动关节连接，后端连杆与夹持器之间通过第三转动关节连接，第一转动关节、第二转动关节和第三转动关节均由大扭力数字舵机控制来进行0-180度的旋转；
舵机模型根据机载控制系统的控制信号，控制每个关节处的数字舵机来调整二自由度机械臂各转动关节的角度和夹持器的位置及姿态。
进一步地，夹持器由拟人机械手爪构成，机械手爪包括两组内侧为锯齿形圆弧面的半爪，每组半爪由三层锯齿形薄片通过螺栓连接组成。
进一步地，飞行控制系统包括STM32F427嵌入式模块、惯性测量单元、高度计、磁力计和双模GPS模块，STM32F427嵌入式模块、惯性测量单元、高度计和磁力计均垂直安装在机载控制板上，双模GPS模块安装在六旋翼无人机中心板的支架杆上；
惯性测量单元、高度计、磁力计和双模GPS模块用来测量空中机器人的姿态角、三轴加速度、三轴角速度、飞行高度和经纬度信息，被采集到的信息均由STM32F427嵌入式模块进行处理后产生指令，指令通过六个I/O端口分别实时传送给六个电调来控制六旋翼无人机的六个旋翼电机；
双模GPS模块为GPS与电子罗盘集成模块。
进一步地，机械臂控制系统包括中央处理器、加速度计、角速度计和线速度计，均垂直安装在机载控制板上；
加速度计、角速度计和线速度计用来测量二自由度机械臂各关节的位置、线速度、角速度及相应的加速度信息，中央处理器根据采集到的信息发出指令给传送给数字舵机来调整相应转动关节的角度和夹持器的位置及姿态。
进一步地，二自由度机械臂的运动是由机械臂控制系统按照各关节最佳柔顺性准则来控制的，该准则根据下式计算机械臂运动学逆解：
其中，F(L)为求解机械臂逆解的目标函数，L为当前描述的机械臂，n为关节数目，qi(L)为第i个关节的目标位置，qid为第i个关节的当前位置。
进一步地，二自由度机械臂的前端连杆、后端连杆与夹持器长度的比例为0.45:0.45:1。
有益效果：
本发明解决了六旋翼无人机与外部环境交互作业的问题，实现了对空中或地面目标的捕捉，扩大空中机器人的应用范围，还具有稳定可靠、安全灵活、操作方便等优点。
附图说明
图1为本发明一实施例的总体结构示意图；
图2为本发明一实施例的六旋翼无人机结构示意图；
图3为本发明一实施例的二自由度机械臂结构示意图；
图4为本发明一实施例的飞行控制系统结构框图；
图5为本发明一实施例的机械臂控制系统结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明一种基于六旋翼无人机的空中机器人，如图1和2所示，它包括六旋翼无人机1、机载控制系统2和二自由度机械臂3，六旋翼无人机1为六旋翼飞行器，六旋翼无人机1机身顶部安装有机载控制系统2，六旋翼无人机1机身底部安装有二自由度机械臂3；
机载控制系统2包括飞行控制系统与机械臂控制系统，飞行控制系统实时采集六旋翼无人机1的飞行数据，处理后产生指令实时传输，来控制六旋翼无人机1的六个旋翼电机5，机械臂控制系统实时采集二自由度机械臂3各关节的位置及姿态信息，处理后发出指令来调整各转动关节的角度和夹持器11的位置及姿态；
六个旋翼电机5为3508-690kv无刷电机，且其转向两两相反，产生偏航力来互相抵消旋翼6对机身产生的力矩；
六个旋翼电机5由六个电调22控制，并分别与对应六个旋翼6相连，提供转速；
六旋翼无人机1由机身、六个旋翼6和六个无刷电机5组成，给二自由度机械臂3提供了移动平台；
六旋翼无人机1机身包括脚架7、六个机臂8、两层中心板9和挂载杆10，中心板9正下方设有挂载杆10，挂载杆10下方挂有锂电池，便于为空中机器人提供动力来源；
中心板9上安装有机载控制系统2，挂载杆10与二自由度机械臂3固接；
中心板9为U型连接板；
六旋翼无人机1机身采用碳纤维材质，具有密度小、硬度大、质量轻的优点，也避免了金属材料易产生金属疲劳、不耐腐蚀的缺点，起到结构框架的作用；
六个旋翼6均采用尼龙碳纤玻纤复合材质，具有轻质高强、耐腐蚀性好的优点；六个机臂8末端的电机座上分别对应安装有六个旋翼6，提供飞机向上运动的升力和提供飞行运动的操纵力与力矩。
如图3所示，二自由度机械臂3包括基座15、前端连杆14、后端连杆12、夹持器11和舵机模块，基座15的前端与六旋翼无人机1的挂载杆10固接，基座15的后端通过第一转动关节131与前端连杆14连接，前端连杆14与后端连杆12之间通过第二转动关节132连接，后端连杆12与夹持器11之间通过第三转动关节133连接，第一转动关节131、第二转动关节132和第三转动关节133均由大扭力数字舵机28控制来进行0-180度的旋转；
舵机模型根据机载控制系统2的控制信号，控制每个关节处的数字舵机28来调整二自由度机械臂3各转动关节的角度和夹持器11的位置及姿态；
夹持器11由拟人机械手爪构成，机械手爪包括两组内侧为锯齿形圆弧面的半爪，每组半爪由三层锯齿形薄片通过螺栓连接组成，用来夹持不规则物体。
如图4所示，飞行控制系统包括STM32F427嵌入式模块19、惯性测量单元18、高度计16、磁力计20和双模GPS模块17，STM32F427嵌入式模块19、惯性测量单元18、高度计16和磁力计20均垂直安装在机载控制板上，双模GPS模块17安装在六旋翼无人机1中心板9的支架杆4上，防大电流对罗盘的干扰；
惯性测量单元18、高度计16、磁力计20和双模GPS模块17用来测量空中机器人的姿态角(俯仰角、滚转角、偏航角)、三轴加速度、三轴角速度、飞行高度和经纬度信息，被采集到的信息均由处理速度为500MHz STM32F427嵌入式模块19进行处理后产生指令，指令通过六个I/O端口21分别实时传送给六个电调22来控制六旋翼无人机1的六个旋翼电机5；
双模GPS模块17为GPS与电子罗盘集成模块。
如图5所示，机械臂控制系统包括中央处理器26、加速度计24、角速度计25和线速度计27，均垂直安装在机载控制板上；
加速度计24、角速度计25和线速度计27用来测量二自由度机械臂3各关节的位置、线速度、角速度及相应的加速度信息，中央处理器26根据采集到的信息发出指令给传送给数字舵机28来调整相应转动关节的角度和夹持器11的位置及姿态。
本发明的实施方式是空中机器人依靠六旋翼无人机1到达目标物的上方或所要求的工作区间，并根据飞行控制系统保持悬停状态。二自由度机械臂3通过机械臂控制系统根据目标物或者任务需求调整自身的位置与姿态精确地完成作业任务。本发明基于六旋翼无人机的空中机器人具有灵活性强、操作精度高、稳定性好的优点，适合代替人类或者地面机器人完成一些高危作业任务。
本发明引入关节最佳柔顺性准则来优化机械臂的可操作性，采用基于优化算法求解机械臂运动学逆解的目标函数为：
其中，F(L)为求解机械臂逆解的目标函数，L为当前描述的机械臂，n为关节数目，qi(L)为第i个关节的目标位置，qid为第i个关节的当前位置。因此，求运动学逆解可转换成求解目标函数F(L)极小值问题。本发明使用人工杂草算法求解此最优化问题，具体的伪代码为：
随机产生杂草位置
目标函数通过人工杂草算法优化后，不仅可以得到关节的最佳柔顺性，也可以得到二自由度机械臂3的前端连杆14、后端连杆12与夹持器11长度的比例为0.45:0.45:1。
对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于六旋翼无人机的空中机器人，它包括六旋翼无人机(1)、机载控制系统(2)和二自由度机械臂(3)，其特征在于：所述六旋翼无人机(1)为六旋翼飞行器，六旋翼无人机(1)机身顶部安装有机载控制系统(2)，六旋翼无人机(1)机身底部安装有二自由度机械臂(3)；
所述机载控制系统(2)包括飞行控制系统与机械臂控制系统，飞行控制系统实时采集六旋翼无人机(1)的飞行数据，处理后产生指令实时传输，来控制六旋翼无人机(1)的六个旋翼电机(5)，机械臂控制系统实时采集二自由度机械臂(3)各关节的位置及姿态信息，处理后发出指令来调整各转动关节的角度和夹持器(11)的位置及姿态。
2.根据权利要求1所述的基于六旋翼无人机的空中机器人，其特征在于：所述六个旋翼电机(5)为3508-690kv无刷电机，且其转向两两相反；
所述六个旋翼电机(5)由六个电调(22)控制，并分别与对应六个旋翼(6)相连。
3.根据权利要求1或2所述的基于六旋翼无人机的空中机器人，其特征在于：所述六旋翼无人机(1)机身包括脚架(7)、机臂(8)、中心板(9)和挂载杆(10)，六个机臂(8)末端的电机座上分别对应安装有六个旋翼(6)，中心板(9)正下方设有挂载杆(10)，挂载杆(10)下方挂有锂电池；
所述中心板(9)上安装有机载控制系统(2)，挂载杆(10)与二自由度机械臂(3)固接；
所述中心板(9)为U型连接板。
4.根据权利要求1或2所述的基于六旋翼无人机的空中机器人，其特征在于：所述六旋翼无人机(1)机身采用碳纤维材质；
所述六个旋翼(6)均采用尼龙碳纤玻纤复合材质。
5.根据权利要求1或2所述的基于六旋翼无人机的空中机器人，其特征在于：所述二自由度机械臂(3)包括基座(15)、前端连杆(14)、后端连杆(12)、夹持器(11)和舵机模块，基座(15)的前端与六旋翼无人机(1)的挂载杆(10)固接，基座(15)的后端通过第一转动关节(131)与前端连杆(14)连接，前端连杆(14)与后端连杆(12)之间通过第二转动关节(132)连接，后端连杆(12)与夹持器(11)之间通过第三转动关节(133)连接，第一转动关节(131)、第二转动关节(132)和第三转动关节(133)均由大扭力数字舵机(28)控制来进行0-180度的旋转；
所述舵机模型根据机载控制系统(2)的控制信号，控制每个关节处的数字舵机(28)来调整二自由度机械臂(3)各转动关节的角度和夹持器(11)的位置及姿态。
6.根据权利要求5所述的基于六旋翼无人机的空中机器人，其特征在于：所述夹持器(11)由拟人机械手爪构成，机械手爪包括两组内侧为锯齿形圆弧面的半爪，每组半爪由三层锯齿形薄片通过螺栓连接组成。
7.根据权利要求1或2所述的基于六旋翼无人机的空中机器人，其特征在于：所述飞行控制系统包括STM32F427嵌入式模块(19)、惯性测量单元(18)、高度计(16)、磁力计(20)和双模GPS模块(17)，STM32F427嵌入式模块(19)、惯性测量单元(18)、高度计(16)和磁力计(20)均垂直安装在机载控制板上，双模GPS模块(17)安装在六旋翼无人机(1)中心板(9)的支架杆(4)上；
所述惯性测量单元(18)、高度计(16)、磁力计(20)和双模GPS模块(17)用来测量空中机器人的姿态角、三轴加速度、三轴角速度、飞行高度和经纬度信息，被采集到的信息均由STM32F427嵌入式模块(19)进行处理后产生指令，指令通过六个I/O端口(21)分别实时传送给六个电调(22)来控制六旋翼无人机(1)的六个旋翼电机(5)；
所述双模GPS模块(17)为GPS与电子罗盘集成模块。
8.根据权利要求1或2所述的基于六旋翼无人机的空中机器人，其特征在于：所述机械臂控制系统包括中央处理器(26)、加速度计(24)、角速度计(25)和线速度计(27)，均垂直安装在机载控制板上；
所述加速度计(24)、角速度计(25)和线速度计(27)用来测量二自由度机械臂(3)各关节的位置、线速度、角速度及相应的加速度信息，中央处理器(26)根据采集到的信息发出指令给传送给数字舵机(28)来调整相应转动关节的角度和夹持器(11)的位置及姿态。
9.根据权利要求5所述的基于六旋翼无人机的空中机器人，其特征在于：所述二自由度机械臂(3)的运动是由机械臂控制系统按照各关节最佳柔顺性准则来控制的，该准则根据下式计算机械臂运动学逆解：
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其中，F(L)为求解机械臂逆解的目标函数，L为当前描述的机械臂，n为关节数目，qi(L)为第i个关节的目标位置，qid为第i个关节的当前位置。
10.根据权利要求9所述的基于六旋翼无人机的空中机器人，其特征在于：所述二自由度机械臂(3)的前端连杆(14)、后端连杆(12)与夹持器(11)长度的比例为0.45:0.45:1。
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