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基于深度强化学习的飞行机械臂视觉抓取研究
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作者 王宁 毛鹏军 +1 位作者 倪培龙 杨孟杰 《组合机床与自动化加工技术》 北大核心 2025年第9期34-39,43,共7页
为了解决传统深度确定性策略梯度算法(DDPG)在旋翼飞行机械臂抓取物体过程中机械臂学习效率低、收敛速度慢,导致旋翼飞行机械臂抓取成功率较低的问题,提出了一种HER-DDPG算法。首先基于ROS平台搭建旋翼飞行机械臂的实验环境,然后利用改... 为了解决传统深度确定性策略梯度算法(DDPG)在旋翼飞行机械臂抓取物体过程中机械臂学习效率低、收敛速度慢,导致旋翼飞行机械臂抓取成功率较低的问题,提出了一种HER-DDPG算法。首先基于ROS平台搭建旋翼飞行机械臂的实验环境,然后利用改进的YOLOv8n目标检测算法和反向投影法获取抓取物体的三维位置,最后将DDPG算法、HER-TD3算法和设计的HER-DDPG算法加入仿真环境对飞行机械臂进行抓取训练。HER-DDPG算法先利用事后经验回放算法(HER)将实际未成功的经验重新解释为成功的的经验,增加了有用经验的数量,然后再用DDPG算法对飞行机械臂进行训练。实验结果表明,利用DDPG算法对飞行机械臂进行训练,学习效率较低,收敛速度较慢,抓取成功率为65.2%,利用HER-TD3算法对飞行机械臂进行训练,学习效率较低,收敛速度较快,抓取成功率为79.5%,而利用HER-DDPG算法对飞行机械臂进行训练,学习效率高,收敛速度快,抓取成功率为80.4%,较DDPG算法上升了15.2%。 展开更多
关键词 深度确定性策略梯度算法 旋翼飞行机械臂抓取 HER-TD3 HER-DDPG ROS
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旋翼飞行机械臂固定时间滑模控制 被引量:3
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作者 刘宜成 贺嘉辣 严文 《电光与控制》 CSCD 北大核心 2024年第1期69-76,共8页
针对旋翼飞行机械臂轨迹跟踪控制中的不确定性和扰动问题,提出了一种基于固定时间滑模观测器的滑模控制算法。首先,在广义坐标系下建立了旋翼飞行机械臂运动学与动力学模型,并设计出固定时间观测器对模型参数不确定性与外部扰动进行估计... 针对旋翼飞行机械臂轨迹跟踪控制中的不确定性和扰动问题,提出了一种基于固定时间滑模观测器的滑模控制算法。首先,在广义坐标系下建立了旋翼飞行机械臂运动学与动力学模型,并设计出固定时间观测器对模型参数不确定性与外部扰动进行估计,通过在滑模中引入分段函数和饱和函数抑制固定时间观测器的抖振,加快其收敛速度。随后,将旋翼飞行机械臂划分为位置、姿态以及机械臂3个子系统,基于固定时间理论,分别对3个子系统设计了新型固定时间滑模控制器,并设计自适应趋近律以抑制滑模控制器的抖振。与传统滑模控制器相比,该控制器具有更快的收敛速度与更好的跟踪性能。利用Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性。最后通过仿真实验验证了所提算法的有效性,该算法对旋翼飞行机械臂轨迹跟踪控制具有较好效果。 展开更多
关键词 无人机 旋翼飞行机械臂 固定时间观测器 固定时间稳定 轨迹跟踪 动力学建模
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基于分层运动分解的飞行机械臂视觉伺服控制 被引量:1
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作者 张兆鹏 何慰 +2 位作者 梁潇 韩建达 方勇纯 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期808-816,共9页
飞行机械臂系统具有主动作业能力,通过搭载视觉传感器感知周围环境,系统的自主能力将进一步提高.然而,考虑到无人机的欠驱动和整个系统的非线性特性,飞行机械臂系统的视觉伺服控制仍然是一项具有挑战性的工作.本文在充分考虑机械臂对无... 飞行机械臂系统具有主动作业能力,通过搭载视觉传感器感知周围环境,系统的自主能力将进一步提高.然而,考虑到无人机的欠驱动和整个系统的非线性特性,飞行机械臂系统的视觉伺服控制仍然是一项具有挑战性的工作.本文在充分考虑机械臂对无人机的力/力矩作用后,提出了一种基于分层运动分解的飞行机械臂视觉伺服控制方案.首先,对飞行机械臂系统的运动学和动力学模型进行分析.然后,根据所得的相机运动学模型,通过基于图像的视觉伺服控制获得相机的期望速度,进而制定无人机和机械臂的速度分配策略.在考虑机械臂运动时对无人机产生的力/力矩影响,设计了底层的飞行控制器.最后,在与现有方法的仿真对比中可以看出,所提方法具有良好的控制性能,对图像特征点位置的不确定性及图像噪声也表现了较好的鲁棒性. 展开更多
关键词 多旋翼无人机 飞行机械臂 视觉伺服控制
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旋翼飞行机械臂动力学模型与姿态控制
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作者 代强强 张森 《火力与指挥控制》 CSCD 北大核心 2024年第12期121-128,共8页
当前无人机的应用局限在于和环境弱交互的场景。为了应对更复杂的作业环境,提高无人机与环境的交互性,将旋翼无人机和机械臂结合。由于无人机和机械臂之间存在动力学耦合以及机械臂作业时无人机姿态干扰等问题,严重影响旋翼飞行机械臂... 当前无人机的应用局限在于和环境弱交互的场景。为了应对更复杂的作业环境,提高无人机与环境的交互性,将旋翼无人机和机械臂结合。由于无人机和机械臂之间存在动力学耦合以及机械臂作业时无人机姿态干扰等问题,严重影响旋翼飞行机械臂控制精度水平和作业精确要求。针对以上问题,通过牛顿-欧拉方程对无人机与机械臂进行独立建模,并设计自适应反步滑模控制器来实现旋翼飞行机械臂的姿态和位置跟踪控制,其稳定性由李雅普诺夫稳定性定理验证。 展开更多
关键词 自适应反步滑模控制动力学模型 姿态控制 旋翼飞行机械臂
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旋翼飞行机械臂建模及动态重心补偿控制 被引量:20
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作者 钟杭 王耀南 +2 位作者 李玲 刘洪剑 李力 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第3期311-320,共10页
旋翼飞行机械臂是将多关节机械臂固连在旋翼飞行平台上而组成的一种面向主动任务操作的特殊系统,其飞行平台和机械臂之间存在强耦合特性.本文针对机械臂的规划运动对飞行平台的干扰问题,建立了系统运动学和动力学模型,并通过动态计算系... 旋翼飞行机械臂是将多关节机械臂固连在旋翼飞行平台上而组成的一种面向主动任务操作的特殊系统,其飞行平台和机械臂之间存在强耦合特性.本文针对机械臂的规划运动对飞行平台的干扰问题,建立了系统运动学和动力学模型,并通过动态计算系统重心位置坐标,设计出基于backstepping的动态重心补偿控制方法,针对补偿项测量噪声问题设计了二阶低通滤波器,并使用Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性.仿真和实验均验证了在相同的参数条件下,具有动态重心补偿项的控制算法比没有重心补偿项的控制算法在轨迹跟踪和姿态稳定方面具有明显优势. 展开更多
关键词 旋翼飞行机械臂 重心补偿 轨迹跟踪控制 反演控制
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基于滑模PID的飞行机械臂稳定性控制 被引量:10
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作者 刘云平 周玉康 +2 位作者 张永宏 黄希杰 杨健康 《南京理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期525-532,共8页
机械臂与旋翼飞行器之间的耦合运动、系统自身的欠驱动特性以及外界的不确定干扰,都会影响旋翼飞行器的稳定性控制。为提高整个系统的飞行稳定性,考虑到波动输入信号和外界扰动的影响,该文建立了飞行机械臂的动力学模型,设计了一种基于... 机械臂与旋翼飞行器之间的耦合运动、系统自身的欠驱动特性以及外界的不确定干扰,都会影响旋翼飞行器的稳定性控制。为提高整个系统的飞行稳定性,考虑到波动输入信号和外界扰动的影响,该文建立了飞行机械臂的动力学模型,设计了一种基于滑模PID控制方法的指数趋近率控制器。与传统的PID控制方法相比,该方法不仅能够减弱外界不确定干扰的影响,准确快速地对飞行器进行姿态稳定,而且缩短了调节时间,增强了飞行器的自身稳定性和鲁棒性。 展开更多
关键词 飞行机械臂 动力学建模 稳定性控制 滑模PID 无人机
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飞行机械臂系统的接触力控制 被引量:9
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作者 孟祥冬 何玉庆 +3 位作者 张宏达 杨丽英 谷丰 韩建达 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期59-68,共10页
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... 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. 展开更多
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
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旋翼飞行机械臂系统的混合视觉伺服控制 被引量:13
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作者 孙敬陶 王耀南 +2 位作者 谭建豪 钟杭 李瑞涵 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第4期505-515,共11页
旋翼飞行机械臂是一种具有强耦合特性的机器人系统,借助视觉进行自主作业还存在诸多问题,如实时深度估计、目标极易丢失以及目标笛卡尔空间模型重建等.本文针对传统的基于图像与基于位置的视觉伺服的缺陷以及系统自身欠驱动等问题,建立... 旋翼飞行机械臂是一种具有强耦合特性的机器人系统,借助视觉进行自主作业还存在诸多问题,如实时深度估计、目标极易丢失以及目标笛卡尔空间模型重建等.本文针对传统的基于图像与基于位置的视觉伺服的缺陷以及系统自身欠驱动等问题,建立了运动学模型和提出了基于力平衡原理的动力学联合建模,并通过欧几里得单应性矩阵分解设计出旋翼飞行机械臂系统的混合视觉伺服控制方法,在图像空间控制平移、笛卡尔空间控制旋转,减弱了平移与旋转之间的相互影响实现解耦效果,改善了系统对非结构因素的抗扰性能和全局稳定性.通过仿真和实验检验了系统鲁棒性和算法优越性. 展开更多
关键词 旋翼飞行机械臂系统 动力学联合建模 欧几里得重建 视觉伺服 手眼系统
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基于时延估计的绳驱动飞行机械臂模糊非奇异终端滑模飞行控制 被引量:6
9
作者 孟思华 王尧尧 +1 位作者 陈柏 吴洪涛 《中南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第10期3465-3474,共10页
针对飞行机械臂作业时机械臂运动对飞行控制产生的不利影响,提出一种新型绳驱动飞行机械臂系统,同时提出一种不基于模型的控制策略。该控制策略可分成3个部分:时延估计、非奇异终端滑模控制器和模糊推理系统。时延估计系统可以估计出系... 针对飞行机械臂作业时机械臂运动对飞行控制产生的不利影响,提出一种新型绳驱动飞行机械臂系统,同时提出一种不基于模型的控制策略。该控制策略可分成3个部分:时延估计、非奇异终端滑模控制器和模糊推理系统。时延估计系统可以估计出系统当前的复杂动力学特性,避免建模复杂与模型参数时变的问题;非奇异终端滑模控制器保证系统的闭环稳定性以及快速收敛性;模糊推理系统用来加快系统的收敛速度以及保证系统的控制品质;利用李雅普诺夫稳定性理论证明控制器的稳定性与快速收敛性;最后进行仿真对比实验。研究结果表明:所提出的控制器的控制性能优于终端滑模控制器以及线性滑模控制器的控制性能。 展开更多
关键词 绳驱动机械 飞行机械臂 时延估计 终端滑模 模糊系统
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旋翼飞行机械臂的混合视觉伺服和分层控制方法 被引量:6
10
作者 孙敬陶 钟杭 +1 位作者 王耀南 李希 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第7期56-65,共10页
无人机臂系统是一种具有强耦合特性的智能移动机器人,借助视觉进行自主作业还存在诸多问题,如实时深度估计、目标极易丢失以及目标笛卡尔空间模型重建等,同时机载机械臂的运动会造成飞行平台的重心变化和动态不稳定。针对基于图像的只... 无人机臂系统是一种具有强耦合特性的智能移动机器人,借助视觉进行自主作业还存在诸多问题,如实时深度估计、目标极易丢失以及目标笛卡尔空间模型重建等,同时机载机械臂的运动会造成飞行平台的重心变化和动态不稳定。针对基于图像的只在目标附近线性收敛与基于位置的目标易偏离视野范围等不足以及系统自身欠驱动等问题,建立了运动学模型并通过欧氏单应性矩阵分解设计出旋翼飞行机械臂系统的混合视觉伺服控制方法,最后通过分层任务组合控制算法完善了其耦合机制。最终改善了系统对非结构因素的抗扰性能和全局稳定性,通过仿真和实验检验了系统鲁棒性和算法优越性。 展开更多
关键词 旋翼飞行机械臂 动力学模型 欧氏重建 视觉伺服 分层任务
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面向飞行机械臂的实时目标检测与定位算法 被引量:4
11
作者 张睿 王尧尧 +1 位作者 段雅琦 陈柏 《南京航空航天大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第1期27-33,共7页
飞行机械臂要完成自主抓取的任务,对目标物的识别与定位尤为关键。当前飞行机械臂视觉识别算法多采用传统的特征提取等方法。为提升目标物识别及定位的精度和效率,本文设计了一种基于YOLOv5深度学习目标检测算法和RGB‑D传感器的视觉识... 飞行机械臂要完成自主抓取的任务,对目标物的识别与定位尤为关键。当前飞行机械臂视觉识别算法多采用传统的特征提取等方法。为提升目标物识别及定位的精度和效率,本文设计了一种基于YOLOv5深度学习目标检测算法和RGB‑D传感器的视觉识别与定位算法,该算法可以实时检测目标物并对其位姿进行估计,为飞行机械臂的抓取工作服务。同时针对深度学习算法计算量庞大,在嵌入式端无法实现高性能实时检测的问题,引入了模型量化技术优化算法,大幅提升算法推理速度。本文介绍了算法的整体框架及实现过程,利用COCO数据集和动作捕捉系统分别验证了目标检测和位姿估计部分算法的有效性。 展开更多
关键词 飞行机械臂 YOLOv5 RGB‑D 目标检测 模型量化 位姿估计
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一种基于线性模糊控制的飞行机械臂自抗扰方法 被引量:8
12
作者 张森 庄智强 宋书中 《河南科技大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2023年第5期37-48,M0004,M0005,共14页
无人机搭载机器臂作业能提高环境适应性,但机械臂的运动对飞行平台会产生强干扰,严重影响作业平台的稳定性。针对飞行机械臂的抗扰难题,采用欧拉-拉格朗日方法对系统进行整体建模,提出一种结合线性自抗扰控制(LADRC)和模糊控制的线性模... 无人机搭载机器臂作业能提高环境适应性,但机械臂的运动对飞行平台会产生强干扰,严重影响作业平台的稳定性。针对飞行机械臂的抗扰难题,采用欧拉-拉格朗日方法对系统进行整体建模,提出一种结合线性自抗扰控制(LADRC)和模糊控制的线性模糊自抗扰控制方法(Fuzzy-LADRC),该方法综合了模糊控制的自适应能力和LADRC对非线性强耦合系统的抗干扰能力,对控制系统进行优化。通过Matlab/Simscape平台搭建系统的物理仿真模型,并设计相关仿真实验对Fuzzy-LADRC、LADRC、比例-积分-微分(PID)等3种控制器的性能进行了对较分析。结果表明:Fuzzy-LADRC在响应速度上比LADRC快0.5 s,比PID快1.5 s,在扰动下进行轨迹跟踪,Fuzzy-LADRC最大误差仅为4 cm,而LADRC的最大误差为10 cm,PID的最大误差为35 cm。综上,该控制方法可显著提高飞行机械臂的响应速度和抗干扰能力。 展开更多
关键词 飞行机械臂 无人机 线性自抗扰控制 模糊控制 建模与仿真
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旋翼飞行机械臂研究综述 被引量:4
13
作者 刘超 张广玉 熊安斌 《高技术通讯》 EI CAS 北大核心 2020年第7期735-747,共13页
旋翼飞行机械臂是由旋翼无人机(多旋翼无人机或无人直升机)和多连杆机械臂组成的新型飞行机器人系统。该机器人系统结合了旋翼无人机的机动飞行、定点悬停和机械臂灵活作业的特性,能够完成飞行作业任务。旋翼无人机具有对外部干扰敏感... 旋翼飞行机械臂是由旋翼无人机(多旋翼无人机或无人直升机)和多连杆机械臂组成的新型飞行机器人系统。该机器人系统结合了旋翼无人机的机动飞行、定点悬停和机械臂灵活作业的特性,能够完成飞行作业任务。旋翼无人机具有对外部干扰敏感的特性。旋翼飞行机械臂在飞行作业过程中会受到来自环境复杂的干扰,再加上系统间严重的耦合作用,使得旋翼飞行机械臂的研究存在诸多难点。本文全面分析与总结了近几年国内外发表的文献,对旋翼飞行机械臂系统设计、系统建模与控制、应用场景和作业方法等方面的主要研究成果进行了综述。 展开更多
关键词 旋翼飞行机械臂 飞行作业 飞行控制 系统建模
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Active fault-tolerant control scheme of aerial manipulators with actuator faults 被引量:1
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作者 DING Ya-dong WANG Yao-yao +1 位作者 JIANG Su-rong CHEN Bai 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2021年第3期771-783,共13页
In this paper,an active fault-tolerant control(FTC)strategy of aerial manipulators based on non-singular terminal sliding mode(NTSM)and extended state observer(ESO)is proposed.Firstly,back-stepping technology is adopt... In this paper,an active fault-tolerant control(FTC)strategy of aerial manipulators based on non-singular terminal sliding mode(NTSM)and extended state observer(ESO)is proposed.Firstly,back-stepping technology is adopted as the control framework to ensure the global asymptotic stability of the closed-loop system.Next,the NTSM with estimated parameters of actuator faults is used as main robustness controller to deal with actuator faults.Then,the ESO is utilized to estimate and compensate the complex coupling effects and external disturbances.The Lyapunov stability theory can guarantee the asymptotic stability of aerial manipulators system with actuator faults and external disturbances.The proposed FTC scheme considers both actuator fault and modelling errors,combined with the adaptive law of actuator fault,which has better performance than traditional FTC scheme,such as NTSM.Finally,several comparative simulations are conducted to illustrate the effectiveness of the proposed FTC scheme. 展开更多
关键词 aerial manipulators back-stepping technology fault-tolerant control non-singular terminal sliding mode control extended state observer
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