空中作業(yè)機(jī)器人由無人機(jī)和機(jī)械臂組成，具有兼顧無人機(jī)的快速移動(dòng)能力和機(jī)械臂的精細(xì)操縱能力的特點(diǎn)。相較于無人機(jī)，空中作業(yè)機(jī)器人不但能夠觀察，還可以進(jìn)行相應(yīng)的作業(yè)操作。相較于地面的機(jī)械臂，空中作業(yè)機(jī)器人具有3D空間內(nèi)的快速移動(dòng)能力，能夠到達(dá)需要作業(yè)的區(qū)域。

目前，越來越多的研究人員開始關(guān)注空中作業(yè)機(jī)器人，認(rèn)為空中作業(yè)機(jī)器人可以擴(kuò)展現(xiàn)有無人機(jī)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)從“看”到“做”的跨越。研發(fā)一個(gè)高性能的空中作業(yè)機(jī)器人，做好“控制”往往是第一步。空中作業(yè)機(jī)器人的控制設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)主要來源于飛行平臺和機(jī)械臂之間的動(dòng)力學(xué)耦合。我們可以通過下面一個(gè)視頻來了解動(dòng)力學(xué)耦合的影響：視頻中的飛行平臺由PX4開源飛控控制，機(jī)械臂的末端攜帶一個(gè)1.1 Kg的重物，在機(jī)械臂來回?cái)[動(dòng)的過程中，動(dòng)力學(xué)耦合會(huì)讓飛行平臺也隨之運(yùn)動(dòng)。

如何消除動(dòng)力學(xué)耦合的影響，從而實(shí)現(xiàn)高精度的控制呢？在最近的工作中，我們提出了一種基于外部狀態(tài)觀測器（ESO）的空中作業(yè)機(jī)器人控制方法。目前，相關(guān)的研究成果已經(jīng)被國際知名期刊IEEE Transactions on Automation Science and Engineering接收。下面，我來分享一下該方法以及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

▌算法介紹

整個(gè)控制系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分，分別為協(xié)調(diào)規(guī)劃、飛行控制和機(jī)械臂控制。這三部分的關(guān)系如圖1所示，各個(gè)部分的作用如下：

第一個(gè)部分為協(xié)調(diào)規(guī)劃器。其輸入為期望的末端位置，輸出為期望飛行平臺位置和期望Delta機(jī)械臂關(guān)節(jié)角。該協(xié)調(diào)規(guī)劃器可以實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)飛行平臺和Delta機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對期望末端位置的跟蹤。本文提出的協(xié)調(diào)控規(guī)劃器包含P-P和E-P兩個(gè)模式，采用兩個(gè)模式的設(shè)計(jì)可以讓算法適用于更多的場景。另外，空中作業(yè)機(jī)器人的物理限制也被考慮在算法設(shè)計(jì)中，以保證計(jì)算得到的結(jié)果是可以被空中作業(yè)機(jī)器人執(zhí)行的。

第二個(gè)部分是飛行平臺的飛行控制器。其輸入為期望飛行平臺位置，該期望位置由協(xié)調(diào)規(guī)劃器計(jì)算得到。其輸出為旋翼產(chǎn)生的力矩和拉力。整個(gè)飛行控制器可以繼續(xù)分為兩個(gè)部分。第一部分是基于ESO的位置控制器，這個(gè)位置控制器的目標(biāo)是產(chǎn)生控制力矢量以跟蹤期望的位置。其中，位置回路的ESO可以估計(jì)動(dòng)力學(xué)耦合對位置回路的影響。第二部分是基于ESO的姿態(tài)控制器，其目標(biāo)是產(chǎn)生控制力矩以跟蹤期望的姿態(tài)。其中，姿態(tài)回路的ESO可以估計(jì)動(dòng)力學(xué)耦合對姿態(tài)回路的影響。所有控制器的參數(shù)，都可以通過設(shè)計(jì)的期望閉環(huán)動(dòng)力學(xué)方程得到，這個(gè)特征可以使得整個(gè)控制算法的調(diào)參工作量大大降低。

第三個(gè)部分是Delta機(jī)械臂的控制器，其輸入為機(jī)械臂的期望關(guān)節(jié)角度，其輸出是機(jī)械臂舵機(jī)的控制力矩。該控制器由三個(gè)舵機(jī)的控制器組成，在本文我們采用Dynamixel AX28舵機(jī)。該舵機(jī)的控制器通過傳統(tǒng)的PID控制完成設(shè)計(jì)[1]。

上述算法具有以下特點(diǎn)：

（1）使用ESO估計(jì)動(dòng)力學(xué)耦合

飛行平臺的動(dòng)力學(xué)模型可以分為可以測量的部分和未知部分。對于這兩部分的處理最直接的處理方式是：可以測量的部分可以直接用于控制算法的設(shè)計(jì)，未知部分就用ESO來進(jìn)行估計(jì)。

（2）控制算法對機(jī)械臂的舵機(jī)要求低

本算法對舵機(jī)要求較低，只要求舵機(jī)能夠跟蹤好關(guān)節(jié)角度指令即可，不要求直接控制舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，也不要求反饋舵機(jī)的速度和加速度信息。圖2給出了三種類型的舵機(jī)，從價(jià)格上來說，PWM舵機(jī)<串行總線舵機(jī)<可控力矩舵機(jī)。很多算法要求反饋驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的速度甚至要求直接力矩控制，這些算法要求機(jī)械臂的舵機(jī)必須是串行總線舵機(jī)或可控力矩舵機(jī)。本算法對舵機(jī)的要求低，對采用PWM舵機(jī)的機(jī)械臂依然適用。

（3）閉環(huán)動(dòng)力學(xué)特性可設(shè)計(jì)、控制參數(shù)易于確定

本算法的控制參數(shù)，可以通過期望的閉環(huán)動(dòng)力學(xué)特性快速確定。如圖3系統(tǒng)的閉環(huán)動(dòng)力學(xué)特性收斂于四個(gè)期望閉環(huán)動(dòng)力學(xué)特性，所有的控制參數(shù)都包含在這些期望閉環(huán)動(dòng)力學(xué)方程中。根據(jù)系統(tǒng)的期望性能可以快速地確定出閉環(huán)動(dòng)力學(xué)特性的參數(shù)，從而確定出算法的控制參數(shù)。

（4）具有兩種模式的協(xié)調(diào)規(guī)劃算法，適應(yīng)多場景應(yīng)用需求

在設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制器時(shí)，本文考慮了空中作業(yè)機(jī)器人的物理限制，并且根據(jù)任務(wù)需求的不同，設(shè)計(jì)了兩個(gè)模式：飛行平臺位置-末端執(zhí)行器位置(P-P)模式和末端執(zhí)行器位置（E-P）模式。其中，P-P模式采用采用閉環(huán)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以用于實(shí)現(xiàn)同時(shí)跟蹤無人機(jī)和機(jī)械臂末端的軌跡；E-P模式將協(xié)調(diào)控制問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)QP優(yōu)化問題，可以用于跟蹤機(jī)械臂末端的軌跡當(dāng)空中作業(yè)機(jī)器人不再需要跟蹤一條單獨(dú)的飛行平臺的軌跡。這兩個(gè)模式分別適用于不同的任務(wù)，比如：P-P模式更適合用于抓取任務(wù)、穿線任務(wù)和空中修補(bǔ)任務(wù)等；E-P模式更適合于軌跡跟蹤任務(wù)、推拉任務(wù)等。

▌硬件系統(tǒng)介紹

整個(gè)空中作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示。利用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)Vicon實(shí)現(xiàn)全局的感知，Vicon系統(tǒng)可以提供高精度的定位信息（包括位置和姿態(tài)），并通過光纖和交換機(jī)傳遞給地面站。地面站和無線路由器相連，通過無線路由器，地面站可以和場景內(nèi)的空中作業(yè)機(jī)器人通信，并控制空中作業(yè)機(jī)器人。無線路由器提供快速并且信號強(qiáng)的局域網(wǎng)，以連通場景內(nèi)的設(shè)備?？罩凶鳂I(yè)機(jī)器人的機(jī)載控制硬件分為三個(gè)部分，分別為機(jī)載計(jì)算機(jī)NUC、飛行控制器Pixhawk以及機(jī)械臂舵機(jī)控制模塊U2R2。其中，機(jī)載計(jì)算機(jī)具有較為豐富的計(jì)算資源，可以將計(jì)算量大的軟件模塊（如任務(wù)管理、規(guī)劃等）部署在NUC上。Pixhawk提供實(shí)時(shí)性較高的嵌入式計(jì)算環(huán)境，可以將實(shí)時(shí)性要求較高的計(jì)算模塊部署在飛控上。U2D2實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)以及NUC的機(jī)械臂控制指令下發(fā)。

▌實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的四個(gè)試驗(yàn)來驗(yàn)證本文提出的空中作業(yè)機(jī)器人的控制方法，分別為擾動(dòng)抵抗試驗(yàn)、末端穩(wěn)定試驗(yàn)、末端跟蹤試驗(yàn)和空中編織試驗(yàn)。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)視頻如下：

▌總結(jié)

空中作業(yè)機(jī)器人的控制設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)主要來源于飛行平臺和機(jī)械臂之間的動(dòng)力學(xué)耦合。針對這個(gè)挑戰(zhàn)，我們提出了一種基于外部狀態(tài)觀測器（ESO）的空中作業(yè)機(jī)器人控制方法。該控制方法采用雙層架構(gòu)，最上層為協(xié)調(diào)控制，最下層為動(dòng)力學(xué)控制。協(xié)調(diào)控制根據(jù)末端執(zhí)行器的指令解算所需的飛行平臺指令和機(jī)械臂指令，再將這些指令下發(fā)給下層動(dòng)力學(xué)控制。動(dòng)力學(xué)控制主要用于跟蹤飛行平臺和機(jī)械臂的指令，實(shí)現(xiàn)期望的控制目標(biāo)。提出的算法具有四個(gè)特點(diǎn)，分別為：1）使用ESO估計(jì)動(dòng)力學(xué)耦合；2）對機(jī)械臂的舵機(jī)要求低；3）閉環(huán)動(dòng)力學(xué)特性可設(shè)計(jì)且控制參數(shù)易于確定；4）具有兩種模式的協(xié)調(diào)規(guī)劃算法，適應(yīng)多場景應(yīng)用需求。

本文提及的算法細(xì)節(jié)和硬件平臺細(xì)節(jié)，請參見：H. Cao, Y. Li, C. Liu, and S. Zhao*, "ESO-Based Robust and High-Precision Tracking Control for Aerial Manipulation", IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, accepted, Mar 2023.

參考文獻(xiàn)

1.R. Fabre, Q. Rouxel, G. Passault, S. N’Guyen, and O. Ly, “Dynaban, an open-source alternative firmware for dynamixel servo-motors,” in Robot World Cup, pp. 169–177, Springer, 2016.

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