飞行机械臂系统的接触力控制
Contact force control of aerial manipulator systems
摘要点击 48  全文点击 66  投稿时间:2018-09-03  修订日期:2019-03-19
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DOI编号  10.7641/CTA.2019.80663
  2020,37(1):59-68
中文关键词  飞行机械臂  接触操作  接触力控制  阻抗控制  弹簧-质量-阻尼系统
英文关键词  aerial manipulator  contact operation  contact force control  impedance control  spring-mass-damper system
基金项目  国家自然科学基金重点项目91748130, 61433016;广东省科技计划项目2017B010116002
学科分类代码  510.8050
作者单位E-mail
孟祥冬 中国科学院沈阳自动化研究所 xdmeng09@163.com 
何玉庆 中国科学院沈阳自动化研究所  
张宏达 中国科学院沈阳自动化研究所  
杨丽英 中国科学院沈阳自动化研究所  
谷丰 中国科学院沈阳自动化研究所  
韩建达 中国科学院沈阳自动化研究所  
中文摘要
      针对飞行机械臂系统的接触力控制问题, 本文首先从理论上证明了闭环无人机系统具有与弹簧-质量-阻尼系统一致的动态特性. 基于飞行机械臂接触状态下力的分析, 得到了无人机水平前向接触力与系统重力和俯仰角之间的动态关系, 进而分析出接触力 控制可以不使用力传感器来实现. 根据阻抗控制思想, 提出了飞行机械臂系统接触力控制方法, 即通过同时控制位置偏差和对 应姿态角度来实现接触力的控制. 给出了单自由度飞行机械臂系统动力学模型, 对应分析出系统的稳定性. 开发了基于四旋翼 飞行器的单自由度飞行机械臂系统, 并进行了实际的飞行实验, 验证了所提出接触力控制方法的有效性, 同时也证实了所开发 系统的可靠性.
英文摘要
      The unmanned aerial vehicle (UAV) position response under an external force is studied, and the closed-loop UAV behaving as a spring-mass-damper system is theoretically proved for the first time. Based on the dynamic relationship analysis in the contact scenario, the orthogonal force control on a contact surface can be achieved without relying on a force sensor. According to the impedance control algorithm, a novel force-sensorless contact force control method is presented. That is, the contact force is indirectly controlled through controlling the UAV''s position error and attitude angle simultaneously. The whole system dynamics is presented for stability analysis. Besides, an innovative one degree-of-freedom aerial manipulator system is developed for the contact operation research, and validation experiments are conducted on it. The experimental results indicate that the proposed method contributes to achieving the contact force control.