基于轨迹优化和运动学补偿的飞行操作臂视觉抓取

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1、硕士学位论文基于轨迹优化和运动学补偿的飞行操作臂视觉抓取VISUALGRASPINGFORAERIALMANIPULATORBASEDONTRAJECTORYOPTIMIZATIONANDKINEMATICCOMPENSATION方林旭哈尔滨工业大学2018年1月国内图书分类号：TP242学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文基于轨迹优化和运动学补偿的飞行操作臂视觉抓取硕士研究生：方林旭导师：陈浩耀副教授申请学位：工程硕士学科：控制工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2017年12月授予学

2、位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242U.D.C:621AdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheprofessionaldegreeofMasterofEngineeringVISUALGRASPINGFORAERIALMANIPULATORBASEDONTRAJECTORYOPTIMIZATIONANDKINEMATICCOMPENSATIONCandidate：FangLinxuSupervisor：

3、Assoc.Prof.ChenHaoyaoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着空中机器人技术的快速发展和成熟，无人机在越来越多的领域得到了成

4、功的应用。如今，无人机在航拍等基于观测层面的运用已经十分成熟，但在其他领域的应用还存在诸多挑战。基于现有成熟的算法和扩展技术，越来越多的科研人员在无人机更进一步的应用领域做出了尝试和探索，包括最具有代表性的空中物流运输、空中操作和交互等等。对于飞行操作臂系统，作为无人机应用的新研究热点，从适应飞行系统的机械臂设计，到复杂系统的建模和控制器设计，再到自主感知和定位、智能规划等相关扩展技术的结合应用，都需要人们对其进行不断的研究。飞行操作臂系统的相关研究，通常是以无人机的抓取操作作为研究切入点。一般来说，对飞行操作臂进行精

5、确和高机动的控制需要精确的动力学建模，然而，完全精确的动力学建模是具有挑战性的，目前大多数相关研究都是基于仿真或在简单的实际环境（如不考虑避障和碰撞）下的进行的，现有的普通视觉伺服方法难以完成稍微复杂环境下的无碰撞抓取任务。为了解决这些问题，本文通过改进一种轻型的机械臂来减少对系统的动力学干扰，提出了一种基于运动学的视觉抓取方法，该抓取方法能够不依赖系统的动力学模型，避免了飞行操作臂系统动力学参数获取困难的问题。针对现有飞行操作臂系统视觉伺服相关研究存在易丢失跟踪目标以及无法进行无碰撞等复杂环境约束抓取的缺点，本文研究

6、和设计一种利用单目视觉相机实现的能够实时跟踪目标并获取目标位姿的视觉系统，同时通过将轨迹规划问题转换为具有多个目标和约束的优化问题，采用基于NSGA-II的多目标优化算实现轨迹优化的求解。相比于现有研究的另一个创新点是，本文考虑了基于运动学控制的机械臂在运动时由动力学因素和外界因素产生的位姿变化问题，提出一种轨迹修正的方案，并设计了一种基于滤波和时间分割插补控制的轨迹跟踪器来保证飞行抓取任务能够顺利地完成，本文中所提出的飞行机械臂视觉抓取方法最终通过真实实验进行验证。通过运用本文提出的相关抓取方法，能够实现飞行操作臂系

7、统在较复杂约束下的自主视觉抓取操作，且不依赖于的完整的动力学模型，在一定干扰下依然能够保证平稳的抓取，具有较高的成功率和普适性。简而言之，本文所研究的方法，推进了无人机的进一步应用，具有较高的意义。关键词:飞行机械臂；运动学；视觉抓取；轨迹规划；轨迹跟踪-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththerapiddevelopmentofaerialrobotics,unmannedaerialvehicle(UAV)hasbeensuccessfullyappliedinmoreandmorefiel

8、ds.Nowadays,UAVsarealreadyverymatureinobservation-basedapplicationssuchasaerialphotography.However,therearestillmanychallengesinotherfields.Basedontheexistingmatureal