本发明属于空中作业机器人，具体涉及一种空中接触作业机器人的鲁棒控制方法及系统。
背景技术：
1、传统的空中接触式作业任务，例如石油、天然气管道腐蚀检测和桥梁桥墩裂纹检测等面向重大基础设施的检测任务，这类任务通常是由技术人员使用人力升降机、起重机或者脚手架、绳索进入特定检查点进行检测的，这对于平时的日常检测与维护来说，存在费时费力，人工成本高、作业危险性高的不足，对于日常的设备检测来说，即便是一个小型的炼油厂，每年也需要检查的石油管道数量也足有数千个点，而其中至少有30％位于非常难以进入的地区，这进一步的增加了人工作业的难度。因此，空中接触式作业对于开发人工检测的替代品有着强烈的需求。由旋翼无人机搭载作业机构组成的空中作业机器人，得益于其灵巧性和轻便的特性，在空中接触作业任务中得到了广泛应用。
2、传统的欠驱动无人机需要改变自身的横滚角和俯仰角姿态来实现平移运动，当受到外界扰动(如阵风)时，为保持稳定，自身姿态会发生改变，进而导致末端作业时的晃动。因此，空中接触作业机器人的接触力将受到外界干扰产生较大变化从而影响空中作业的稳定性。为此，提升空中作业机器人进行接触式作业时的稳定性极有必要。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种空中接触作业机器人的鲁棒控制方法及系统，其有效提升空中作业机器人执行接触式作业时的稳定性。其中，本发明所述方法对接触力进行跟踪，通过构建视觉阻抗控制器，将阻抗控制转变为跟踪接触力的控制，基于接触力跟踪保证了空中作业机器人的稳定性；再者，本发明所述方法引入了视觉伺服控制，应用图像矩，不依赖于外界位置信息，同时由于控制方法控制机器人使用的是力和力矩，不发布位置，所以可以在一些室外gps信号弱或者信号缺失的地方(桥梁桥墩底部)或者室内(无gps位置信息)进行接触式作业。
2、为此，本发明提供如下技术方案：
3、一方面，本发明提供的一种空中接触作业机器人的鲁棒控制方法，包括以下步骤：
4、构建接触式作业的空中作业机器人的接触动力学模型；
5、构建基于图像矩的视觉伺服控制器，其中，在虚拟图像平面中定义表征空中作业机器人位置状态信息的图像矩，将空中作业机器人在虚拟图像平面中的移动映射到笛卡尔坐标系；
6、构建视觉阻抗控制器，将阻抗控制转变为跟踪接触力的控制；
7、其中，将跟踪的接触力与期望接触力的误差输入所述视觉阻抗控制器，进而得到期望图像矩sz,d；所述视觉伺服控制器基于期望图像矩sz,d以及实际接触力输出空中作业机器人产生的广义控制力；基于广义控制力以及空中作业机器人的期望旋转矩阵，引入姿态控制器计算得到空中作业机器人产生的广义力矩；
8、基于所述广义控制力以及所述广义力矩控制所述空中作业机器人作业。
9、进一步可选地，基于图像矩的视觉伺服控制器的表示为：
10、
11、式中，表示空中作业机器人产生的广义控制力，均为正增益系数，误差表示为视觉伺服控制率，为的一阶导数，为空中作业机器人的期望线速度，为图像矩误差，mu为空中作业机器人的质量，表示重力加速度，向量e3＝[001]t，表示空中作业机器人与环境接触产生的接触力，表示空中作业机器人相对于世界坐标系的旋转矩阵，t为矩阵转置符号；
12、其中，视觉伺服控制率以及图像矩误差et表示为：
13、
14、
15、式中，是交互矩阵，表示正增益对角矩阵，表示空中作业机器人到达期望位姿时的图像矩，即期望图像矩sz,d，实际图像矩sx sysz为图像矩st在x,y,z方向的变量值。
16、进一步可选地，所述姿态控制器中所述空中作业机器人产生的广义力矩表示如下：
17、
18、式中，表示空中作业机器人产生的广义力矩，均为正增益系数，为姿态误差，为角速度误差；为角速度，表示期望的角速度，为的一阶导数；表示空中作业机器人的雅克比矩阵；运算符表示其将一个三维向量转换成一个反对称矩阵；表示空中作业机器人相对于世界坐标系的旋转矩阵，为期望的旋转矩阵，表示空中作业机器人与环境接触产生的力矩，t为矩阵转置符号。
19、进一步可选地，所述视觉阻抗控制器是基于一维可变刚度阻抗模型构建的，所述空中作业机器人的相机的光轴安装方向与作业机构平行时，基于一维可变刚度阻抗模型的所述视觉阻抗控制器如下表示：
20、
21、式中，ef＝fc-fc,d代表在三维方向上的实际接触力与期望接触力的误差向量，fc表示三维方向上的空中作业机器人与环境接触产生的实际接触力，fc,d表示三维方向上的空中作业机器人与环境接触产生的期望接触力，md表示惯性系数，bd表示阻尼系数，kd(t)表示刚度变化率向量，其呈现为随时间变化的特性；
22、其中，刚度变化率向量表示为：
23、
24、其中，k0，k1，k2均为大于零的正实数增益系数，表示向量的逆，表示ef的一阶导数，为表示经过控制器修正过后的相机光轴方向的图像矩命令值，命令值表示经过控制器经修改过后相对于的新值。
25、针对空中作业机器人的作业安全性是关键性指标之一，而在现有的一些空中交互任务的研究中，采用了阻抗控制的方法来确保系统的鲁棒性，并避免运动和力控制的直接分解，然而这些研究均采用的是固定阻抗参数的控制方法，在接触过程中，其柔顺性和安全性较低，由于恒定阻抗控制方法参数是固定的，对于需要保证恒定接触力作业的任务，其跟踪效果较差，这对于机器人的环境交互任务来说是危险的。与恒定阻抗控制相比，可变阻抗控制是一种有效的方法，可以通过对阻抗参数的动态调节，提高接触过程中的柔顺性和安全性。然而，如何在空中接触作业机器人上实现可变阻抗控制也是有待研究的，本发明技术方案提供了基于一维可变刚度阻抗模型构建的视觉阻抗控制器
26、进一步可选地，基于一维可变刚度阻抗模型的所述视觉阻抗控制器的稳定性约束条件为：李雅普诺夫函数vp的一阶微分始终小于等于零，并且vp存在上界，随着时间的逐渐增加，vp最终将渐进稳定；
27、证明过程如下：
28、构建如下所示的李雅普诺夫函数：
29、
30、式中，sz为图像矩st在,z方向的变量值，kt为线性刚度系数；
31、对李雅普诺夫函数进行一阶微分，得到vp的一阶微分表达式如下：
32、
33、式中，sz,t表示末端作业机构刚好与目标发生接触，但接触力为零的位置；
34、对接触力的误差向量ef进行一阶微分，得到ef与其一阶微分表达式如下：
35、ef＝kt(sz-sz,t)-fc,d,
36、进一步将李雅普诺夫的一阶微分表达式改写为：
37、
38、其中，bd表示阻尼系数；
39、由于当时间t趋向无穷时，始终成立，进而得到当时间t趋向无穷时，与ef趋向于零，因此，所提出的控制方法的渐近稳定性得到证明，由于与ef趋向于零，系统最终将保持恒定接触力，即fc＝fc,d。
40、进一步可选地，接触式作业的空中作业机器人的接触动力学模型表示如下：
41、
42、
43、
44、
45、其中，表示空中作业机器人所在的机体坐标系原点在世界坐标系下的位置，表示的一阶导数，其对应的是空中作业机器人在世界坐标系下的速度
46、表示空中作业机器人的质量，表示重力加速度，向量e3＝[001]t，和分别表示空中作业机器人产生的广义控制力和力矩，表示空中作业机器人与环境接触产生的力矩；表示空中作业机器人在世界坐标系下的姿态向量，并用欧拉角来表示，表示横滚角，θ表示俯仰角，ψ表示偏航角；表示空中作业机器人相对于世界坐标系的旋转矩阵，表示表示空中作业机器人的雅克比矩阵，表示空中作业机器人与环境接触产生的接触力；表示空中作业机器人在世界坐标系下的角速度；运算符表示其将一个三维向量转换成一个反对称矩阵，对于向量其表达式如下所示：
47、
48、进一步可选地，将空中作业机器人在虚拟图像平面中的移动映射到笛卡尔坐标系的过程中，虚拟相机坐标系与笛卡尔坐标系的变换关系以及在虚拟图像平面的图像矩关系如下：
49、点po在相机坐标系下的三维位置变量表示为：点po在虚拟相机坐标系的三维位置变量表示为虚拟相机坐标系与笛卡尔坐标系的变换关系为：表示虚拟相机坐标系相对于相机坐标系的旋转矩阵；
50、进而点po在虚拟相机平面上的归一化形式为：xv,yv点po在虚拟相机平面上的xy坐标；
51、定义i+j阶图像矩为：
52、进而图像矩st＝[sx,sy,sz]t以图像矩表示为：
53、其中，为图像矩mij的轮廓中心坐标，表示当空中作业机器人到达期望的位姿时m00所对应的值。
54、第二方面，本发明提供一种基于上述控制方法的控制系统，至少包含包括：视觉伺服控制器、视觉阻抗控制器、姿态控制器、力/力矩传感器；
55、其中，力/力矩传感器用于感知空中作业机器人与环境接触产生的接触力、力矩；
56、视觉伺服控制器是基于图像矩构建的；
57、其中，跟踪的接触力与期望接触力的误差输入所述视觉阻抗控制器，进而得到期望图像矩sz,d；所述视觉伺服控制器基于期望图像矩sz,d以及实际接触力输出空中作业机器人产生的广义控制力；基于广义控制力以及空中作业机器人的期望旋转矩阵，引入姿态控制器计算得到空中作业机器人产生的广义力矩；得到的所述广义控制力以及所述广义力矩被用于控制所述空中作业机器人作业。
58、第三方面，本发明提供一种空中作业机器人，设有存储器以及处理器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用所述计算机程序以实现：
59、将跟踪的接触力与期望接触力的误差输入所述视觉阻抗控制器，进而得到期望图像矩sz,d；
60、利用所述视觉伺服控制器并基于期望图像矩sz,d以及实际接触力得到空中作业机器人产生的广义控制力；
61、基于广义控制力以及空中作业机器人的期望旋转矩阵，引入姿态控制器计算得到空中作业机器人产生的广义力矩；
62、利用所述广义控制力以及所述广义力矩控制所述空中作业机器人作业。
63、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现：
64、将跟踪的接触力与期望接触力的误差输入所述视觉阻抗控制器，进而得到期望图像矩sz,d；
65、利用所述视觉伺服控制器并基于期望图像矩sz,d以及实际接触力得到空中作业机器人产生的广义控制力；
66、基于广义控制力以及空中作业机器人的期望旋转矩阵，引入姿态控制器计算得到空中作业机器人产生的广义力矩；
67、利用所述广义控制力以及所述广义力矩控制所述空中作业机器人作业。
68、有益效果
69、与现有方法相比，本发明的优点有：
70、本发明是针对接触式作业的空中作业机器人提供的控制技术，其保证了空中作业机器人从非接触模态到接触模态下的安全柔顺性作业。其中，通过构建视觉阻抗控制器，将阻抗控制转变为跟踪接触力的控制，即通过对接触力的跟踪，有效提升了空中作业机器人执行接触式作业时的稳定性。再者，本发明技术方案提供的控制方法使用了视觉伺服控制，采用了图像矩作为位置信息，不依赖于外界位置信息，同时由于控制方法控制机器人使用的是力和力矩，不发布位置，所以可以在一些室外gps信号弱或者信号缺失的地方(桥梁桥墩底部)或者室内(无gps位置信息)进行接触式作业。
71、本发明进一步的优选方案中设计了并提出了基于一维可变刚度阻抗模型构建的视觉阻抗控制器。区别于现有空中交互任务中采用固定阻抗参数的控制方法，本发明技术方案实现了一维可变刚度阻抗控制，通过对阻抗参数的动态调节，实现了末端作业机构对物体的恒定接触力控制，使得接触过程具有更好的柔顺性和稳定性。
72、本发明技术方案还设计了李雅普诺夫函数，进一步证明了本发明控制方法的渐近稳定性。
1.一种空中接触作业机器人的鲁棒控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：基于图像矩的视觉伺服控制器的表示为：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述姿态控制器中所述空中作业机器人产生的广义力矩表示如下：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述视觉阻抗控制器是基于一维可变刚度阻抗模型构建的，所述空中作业机器人的相机的光轴安装方向与作业机构平行时，基于一维可变刚度阻抗模型的所述视觉阻抗控制器如下表示：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：基于一维可变刚度阻抗模型的所述视觉阻抗控制器的稳定性约束条件为：李雅普诺夫函数vp的一阶微分始终小于等于零，并且vp存在上界，随着时间的逐渐增加，vp最终将渐进稳定；
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：接触式作业的空中作业机器人的接触动力学模型表示如下：
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将空中作业机器人在虚拟图像平面中的移动映射到笛卡尔坐标系的过程中，虚拟相机坐标系与笛卡尔坐标系的变换关系以及在虚拟图像平面的图像矩关系如下：
8.一种基于权利要求1-7任一项所述方法的系统，其特征在于：至少包含包括：视觉伺服控制器、视觉阻抗控制器、姿态控制器、力/力矩传感器；
9.一种空中作业机器人，其特征在于：设有存储器以及处理器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用所述计算机程序以实现：
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现：
