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1. 引言微小型多旋翼飛行器是近年來常用的空中機器人平臺。微小型多旋翼飛行器結構簡單、易於實現。由於多個旋翼距離飛行器的質心較遠，微小型多旋翼飛行器相比於直升機可以產生更大的控制力矩，因而具有更好的敏捷性[1, 2]。在過去的十年中，學術界針對多旋翼飛行器的規劃、控制等問題開展了大量研究，取得了豐富的研究成果。與此同時，在產業界，隨著空中機器人導航、定位等相關技術的日趨成熟，多旋翼飛行器在眾多領域取得了極為成功的應用，並推動了一批以微小型多旋翼飛行器為主要產品的機器人企業迅速壯大。以微小型多旋翼飛行器為平臺的飛行機器人被很多研究機構和企業視為具有產業化前景的方向之一。飛行操作型機器人是機器人領域新興的研究方向，它使飛行機器人從以往的只具備觀察環境的單一功能發展為具有與環境交互接觸的能力，並極大提升了傳統操作型機器人的機動能力、活動範圍，是擁有戰略性前景的「下一代飛行機器人」，在空中探測、高空作業、物流等領域具有潛在的應用前景。因而，越來越多的研究機構以微小型多旋翼飛行器為載體，加載多自由度操作機構，發展微小型多旋翼飛行操作機器人。這種機器人充分發揮了多旋翼飛行器結構簡單與敏捷性高的特點，結合多自由度操作機構的靈活性，具備獨特的優越性和廣闊的應用前景。圖1所示為歐洲「框架7」項目ARCAS中研製的四旋翼飛行操作機器人以及韓國首爾國立大學(Seoul National University)的H. Jim. Kim課題組設計的空中操作臂系統[3, 4, 5]，依託於微小型多旋翼飛行器的飛行操作機器人得到了眾多研究者們的青睞。圖1 歐洲「框架7」項目ARCAS以及首爾國立大學的飛行操作機器人
2. 研究概覽2.1 位形與任務空間內的運動控制以微小型多旋翼類飛行器加載多自由度的操作機構，這一系統呈現出欠驅動、耦合、非線性等特點。由於微小型飛行器大多為欠驅動飛行器，飛行平臺的位置與姿態運動需滿足動態約束關係；飛行操作機器人中多自由度操作臂的運動也與飛行平臺本體的運動互相耦合。如何實現其位形空間及任務空間內的控制問題是一個難點和研究熱點。有眾多研究者們對此開展了研究。伊諾伊大學香檳分校 (UIUC) 的NairaHovakimyan團隊針對飛行操作機器人設計了控制器[6, 7]。他們將整個系作小角度近似，並針對側向、縱向、豎直方向的運動分別設計了自適應控制律。由於沒有考慮完全動力學，這一研究仍顯初步。類似的研究還有N. Daher等人設的針對四旋翼飛行操作機器人的自適應控制器等[8]。法國國家科學研究中心 (CNRS) 的Franchi A等人針對飛行操作機器人等開展了有趣的研究。他們針對二維的串聯式飛行操作機器人的構型與控制進行了研究[9]，指出當串聯機械臂的第一個關節位於二維飛行器的質心時，該二維飛行機器人的末端具有六個獨立自由度。他們將任務空間內的位姿作為系統的輸出，證明了該系統是一個微分平坦系統，並採用反饋線性化設計了二維飛行操作機器人的控制器。圖2 Franchi A等人設計的平面二維四旋翼飛行操作機器人的控制器結構[9]
德國宇航中心 (DLR) 的Christian Otta研究團隊針對單個飛行機械臂系統的控制問題開展了研究[10]。圖3所示為他們的研究對象示意圖。他們針對這一系統在位形空間上的控制問題開展了研究，控制目標為讓位置、偏航角、關節空間角度跟蹤給定軌跡，同時俯仰與滾轉角度趨於0。他們通過級聯繫統的方式設計控制器，並採用奇異攝動理論將整個系統變換分割為邊界層系統和降階系統。他們證明了當機械臂關節空間的運動速度不高、且控制增益滿足一定條件時，前述的控制目標可以被滿足。圖3 Christian Otta等人的研究對象——飛行機械臂系統[10]
DLR的Christian Otta研究團隊還進一步針對上述飛行機械臂系統在任務空間的運動進行了研究[11]。他們借鑑冗餘機器人的任務空間控制方法，採用慣性解耦變換將關節空間的運動方程變換至任務空間的運動方程，進而設計了飛行機械臂系統在任務空間內的級聯式運動控制器，並證明了其穩定性。這一方法對飛行機械臂的構型有要求，並且不能保證末端任空間內具有六個獨立自由度。類似的方法還有Caccavale等人設計的級聯控制器[12]。首爾國立大學 (SNU) 的Dongjun Lee團隊在前期研究中，基於無源解耦策略構造坐標映射，對四旋翼空中機械臂系統的欠驅動動力學模型進行自由度解耦，並設計了一種可對四旋翼機械臂系統的末端進行位置/力控制的控制律，證明了其穩定性[13]。中科院瀋陽自動化所依託他們在旋翼飛行機器人系統總體設計、感知、自主控制方面的傳統實力，開展了操作型旋翼飛行機器人的研究。如圖4所示，是他們設計的一款飛行操作機器人，由四旋翼飛行器和一個七自由度機械臂所組成[14]。他們針對抓取移動目標物體任務進行了研究。在研究過程中，假設機械臂關節運動處於低速，建立了抓取物體的安全操作空間，並據此規劃和控制飛行機器人的運動。圖4 中科院自動化所研製的一款飛行操作機器人[14]
2.2 面向不同操作任務的交互控制此外，在運動控制的基礎上，相關研究者們在飛行操作機器人上完成了觸碰開關、抓取小型物體、閥門轉動、接觸式探測等若干操作任務演示[15-18]。為了應對不同的操作任務，研究者們採用了諸如阻抗控制等交互控制手段處理飛行操作機器人與環境的交互。在文獻[19, 20]中，飛行操作機器人系統被視為一個混合系統，分為飛行階段、臂展開階段、自適應階段和操縱階段4個階段，在各個階段採用不同的自適應算法以保證系統的穩定性，並採用視覺伺服控制、增益調度和基於Lyapunov的模型參考自適應控制（MRAC）方法來處理操作過程中重心和慣性的變化以及外部幹擾，實現了飛行操作機器人轉動閥門的操作。在文獻[21, 22]中，針對不同任務需要不同阻抗值的要求，提出了一種改變阻抗、調整接觸力的控制器結構，提出了一種飛行控制器以實現對飛行操作機器人的位置限制。此外，機載視覺傳感器也被應用於飛行操作機器人系統。在文獻[23, 24]中，提出了一種改進的VPIB算法，該算法考慮了操作臂運動時導致的機器人系統整體慣性矩陣和質量分布的變化，而機械臂部分採用了阻抗控制，將機載的DGP和攝像機用於視覺伺服控制，同時，將閉環逆運動學（CLIK）應用於飛行操作機器人的機械手。在文獻[25-27]的飛行操作機器人系統中，採用視覺伺服控制和分級任務控制相結合的混合控制系統。在文獻[28, 29]中，提出了一種基於圖像的飛行操作機器人的視覺伺服系統（IBVS），用於完成室內的飛行操作任務。在文獻[30, 31, 32]中，提出了一種基於多旋翼飛行操作機器人的視覺伺服控制方法，該方法利用機載FPGA對數據進行在線處理。飛行操作機器人也被用於實現吊運負載等空中操作。在文獻[33, 34]中，引入了混雜系統模型來描述懸索四旋翼飛行器，通過微分平坦理論，規劃了具有各種約束條件的標稱軌跡，使四旋翼在搖擺載荷作用下的大面積動態運動成為可能，並通過幾何控制實現了四旋翼在三維空間的姿態、載荷姿態和位置的跟蹤。文獻[35]研究了多機協同搬運負載的路徑規劃問題。在文獻[36, 37]中，用球節點將纜索建模為任意數量的不同連接，並用幾何非線性控制器來控制繩索吊運負載的多個四旋翼無人機的位置，然後將該模型和控制方法應用於任意數量的四旋翼飛行器用繩索吊運負載物體的系統。2.3 課題組針對飛行操作機器人的研究北京理工大學俞玉樹等人，在北京航空航天大學丁希侖教授等指導支持下，針對含多自由度操作機構的飛行操作機器人開展了研究[38]，提出了含多自由度操作機構的飛行操作機器人多種機構結構。與義大利University of Naples Federico II的Vincenzo Lippiello等研究者合作開展了飛行操作機器人的設計與控制方面的研究，研製了多種飛行操作機器人原理樣機。提出了飛行操作機器人末端的六個自由度位形為微分平坦輸出空間的飛行平臺與操作臂所應滿足的條件，即飛行平臺應具有5維驅動力、操作臂位於飛行平臺質心處[39]。通過實際飛行進一步驗證了所設計的機構結構的合理性與有效性。圖5 課題組設計研製的飛行操作機器人樣機
俞玉樹等研究了含多自由度操作臂的飛行操作機器人在位形空間內的運動控制方法。通過建立飛行操作機器人整體系統的完整動力學模型，並對運動方程進行解耦轉換等處理，設計了多種針對飛行操作機器人的位形空間內的控制器[40]。嚴格證明了所設計的控制器的穩定性和魯棒性。針對飛行操作機器人的多種任務的運動規划進行了研究[41]。此外，針對飛行機器人與地面接觸碰撞的動力學進行了研究，對包含與地面接觸的多模態運動設計了混雜控制器[42, 43]。圖6 一種含多自由度臂的飛行操作機器人整體系統控制器
此外，針對飛行操作機器人的非歐位形空間特性，俞玉樹等人提出了數種採用指數坐標描述剛性飛行器的姿態，並對剛性飛行器的姿態進行控制的方法，可有效避免姿態表達的奇異性、混淆性問題[44]。分析了剛性飛行器在姿態空間流形SO(3)上運動的測地線（最短路徑），由此構造姿態誤差函數，並採用多種控制方法設計了全局姿態控制器[40, 45]。在此基礎上設計了欠驅動飛行機器人、欠驅動飛行操作機器人的多種全局控制器。對包含冗餘驅動器的欠驅動飛行機器人故障檢測與容錯控制方法進行了研究[46]。圖7 設計的一款全局控制器在姿態誤差最大值處起飛的實驗測試，這一特性傳統局部控制器難以實現
3. 討論現階段，國內外同行對包含多自由度串聯式飛行操作機器人的設計與控制等問題開展了較為豐富的研究。此類飛行操作機器人依託於小型四旋翼飛行器，具有較好的敏捷性和靈活性。通過建立飛行操作機器人系統的動力學模型，並對動力學模型進行解耦，可以設計此類飛行操作機器人的運動控制器。附加的操作機構可使飛行操作機器人在任務空間內具備跟蹤六自由度位姿軌跡的能力。通過建立多自由度操作臂末端操作任務空間與飛行操作機器人位形空間之間的冗餘映射，可以採用多層次級聯的結構設計任務空間內的運動控制器，進而建立在任務空間與環境交互的控制器。隨著機器人感知技術的發展，諸多機載定位感知設備已被用於飛行操作機器人系統，致力於使其擺脫外部全局定位環境。國內外同行已取得的成果推進了飛行機器人的發展，充分驗證了「飛行操作機器人」相比於地面移動操作機器人在機動能力、活動範圍方面的優勢和潛力。隨著研究的不斷深入，研究者們對微小型飛行操作機器人的操作靈活性與操作負載能力等提出了更高的要求，引入了新的設計與控制問題。然而，由於飛行操作機器人的操作臂關節空間與飛行平臺本身的運動互相耦合，追求任務空間的操作靈活性有可能使操作臂難以避開極限與奇異位形。此外，飛行機器人的位形空間是一個非歐空間，飛行機器人的外界擾動等始終存在。這些因素為設計與控制具有更「大」操作力、更「靈活」操作性能的飛行操作機器人也帶來了新的挑戰。[1] Abdelhamid Tayebi,Stephen McGilvray. Attitude Stabilization of a VTOLQuadrotorAircraft[J]. IEEE Trans. Control Syst. Technol. 2006. 14（3）: 562-571.
[2] Robert Mahony,Vijay Kumar,PeterCorke. Multirotor Aerial Vehicles: Modeling, Estimation, and Control ofQuadrotor[J]. IEEE Robot. Autom. Mag. 2012. 19（3）: 20-32.
[3] G. Heredia,A. Jimenez-Cano,I.Sanchezet al. Control of a multirotor outdoor aerial manipulator[A]. Proc.IEEE/RSJ Int. Conf. Intell. Robots Syst.[C]，2014: 3417-3422.
[4] M. I. Sanchez,J. A. Acosta,A.Ollero. Integral action in first-order closed-loop inverse kinematics.application to aerial manipulators[A]. Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom.[C]，2015: 5297-5302.
[5] SuseongKim,Seungwon Choi,H. Jin Kim. Aerial Manipulation Using a Quadrotor with a Two DOF RoboticArm[A]. Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. Intell. Robots Syst.[C]. Tokyo, Japan，2013: 4990-4995.
[6] Donglei Sun, Neng Wan, WeichenDai, Yu Zhang, and Naira Hovakimyan, Control Design for an Aerial Manipulatorfor Pick-and-Place Tasks, AIAA Scitech 2019 Forum.
[7] Robert M. Jones, Donglei Sun,Gabriel Barsi Haberfeld, Arun Lakshmanan, ThiagoMarinho, and Naira Hovakimyan, Designand Control of a Small Aerial Manipulator for Indoor Environments,AIAA InformationSystems-AIAA Infotech @ Aerospace, 2017.
[8] Kourani, K. Kassem and N.Daher, Coping with Quadcopter Payload Variation via Adaptive Robust Control,2018 IEEE International Multidisciplinary Conference on Engineering Technology(IMCET), Beirut, 2018, pp. 1-6.
[9] M. Tognon, Yüksel, B., Buondonno,G., and Franchi, A., Dynamic Decentralized Control for Protocentric AerialManipulators, 2017 IEEE Int. Conf. on Robotics andAutomation, Singapore, 2017, pp. 6375-6380.
[10] M. J. Kim, K. Kondak, and C.Ott, A stabilizing controller for regulation of UAV with manipulator, IEEERobot. Autom. Lett., 2018, 3(3), pp. 1719-1726.
[11] G. Garofalo, F. Beck and C.Ott, Task-space Tracking Control for Underactuated Aerial Manipulators, 2018European Control Conference (ECC), Limassol, 2018, pp. 628-634.
[12] Pierri, F., Muscio, G., &Caccavale, F., An adaptive hierarchical control for aerial manipulators.Robotica, 2018, 36(10), 1527-1550.
[13] H. Yang and D. Lee, Dynamicsand control of quadrotor with robotic manipulator, Proc.IEEE Int. Conf. Robot. Autom. (ICRA), Hong Kong,2014, pp. 5544-5549.
[14] G. Zhang etal., Grasp a Moving Target from the Air: System & Control of anAerial Manipulator, 2018 IEEE International Conference on Roboticsand Automation (ICRA), Brisbane, QLD, 2018, pp. 1681-1687.
[15] A. E. Jimenez-Cano, P. J.Sanchez-Cuevas, P. Grau, A. Ollero and G. Heredia, "Contact-Based BridgeInspection Multirotors: Design, Modeling, and Control Considering the CeilingEffect," in IEEE Robotics and Automation Letters, 2019, 4(4), pp.3561-3568.
[16] M. Orsag, C. Korpela, S. Bogdanand P. Oh, "Dexterous Aerial Robots—Mobile Manipulation Using UnmannedAerial Systems," IEEE Transactions on Robotics, 2017, 33(6), pp.1453-1466.
[17] Guangyu Zhang, Yuqing He, BoDai, Feng Gu, Liying Yang, Jianda Han, Guangjun Liu, Juntong Qi, "Grasp aMoving Target from the Air: System & Control of an AerialManipulator," 2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA), Brisbane, QLD, 2018, pp. 1681-1687.
[18] Lippiello, Vincenzo,Fontanelli, Giuseppe, Ruggiero, Fabio, "Image-Based Visual-ImpedanceControl of a Dual-Arm Aerial Manipulator," IEEE Robotics and AutomationLetters, 2018, 3(3), pp. 1856-1863.
[19] Korpela C, Orsag M, Oh P.Towards valve turning using a dual-arm aerial manipulator. Intelligent Robotsand Systems (IROS 2014), 2014 IEEE/RSJ International Conference on;IEEE, 2014;3411-6.
[20] Orsag M, Korpela CM, Bogdan S,Oh PY. Hybrid adaptive control for aerial manipulation. Journal of intelligent& robotic systems 2014; 73(1-4):693.
[21] Mersha AY, Stramigioli S,Carloni R. Exploiting the dynamics of a robotic manipulator for control ofuavs. Robotics and Automation (ICRA), 2014 IEEE International Conferenceon;IEEE, 2014; 1741-6.
[22] Mersha AY, Stramigioli S,Carloni R. Variable impedance control for aerial interaction. IntelligentRobots and Systems (IROS 2014), 2014 IEEE/RSJ International Conference on;IEEE,2014; 3435-40.
[23] Heredia G, Jimenez-Cano A,Sanchez I, et al. Control of a multirotor outdoor aerial manipulator.Intelligent Robots and Systems (IROS 2014), 2014 IEEE/RSJ InternationalConference on;IEEE, 2014; 3417-22.
[24] Sánchez M, Acosta J, Ollero A.Integral action in first-order closed-loop inverse kinematics. Application toaerial manipulators. Robotics and Automation (ICRA), 2015 IEEE InternationalConference on;IEEE, 2015; 5297-302.
[25] Buonocore LR, Cacace J,Lippiello V. Hybrid visual servoing for aerial grasping with hierarchicaltask-priority control. Control and Automation (MED), 2015 23th MediterraneanConference on;IEEE, 2015; 617-23.
[26] Lippiello V, Cacace J,Santamaria-Navarro A, et al. Hybrid visual servoing with hierarchical taskcomposition for aerial manipulation. IEEE Robotics and Automation Letters 2016;1(1):259-66.
[27] Santamaria-Navarro A, LippielloV, Andrade-Cetto J. Task priority control for aerial manipulation. Safety,Security, and Rescue Robotics (SSRR), 2014 IEEE International Symposiumon;IEEE, 2014; 1-6.
[28] Kim S, Seo H, Choi S, Kim HJ.Vision-guided aerial manipulation using a multirotor with a robotic arm.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 2016; 21(4):1912-23.
[29] Seo H, Kim S, Kim HJ. Aerialgrasping of cylindrical object using visual servoing based on stochastic modelpredictive control. Robotics and Automation (ICRA), 2017 IEEE InternationalConference on;IEEE, 2017; 6362-8.
[30] Shimahara S, Suphachart L,Ladig R, Shimonomura K. Aerial torsional manipulation employing multi-rotorflying robot. Intelligent Robots and Systems (IROS), 2016 IEEE/RSJInternational Conference on;IEEE, 2016; 1595-600.
[31] Shimahara S, Ladig R,Suphachart L, Hirai S, Shimonomura K. Aerial manipulation for the workspaceabove the airframe. Intelligent Robots and Systems (IROS), 2015 IEEE/RSJInternational Conference on;IEEE, 2015; 1453-8.
[32] Suphachart L, Shimahara S,Ladig R, Shimonomura K. Vision based autonomous orientational control foraerial manipulation via on-board fpga. Proceedings of the IEEE Conference onComputer Vision and Pattern Recognition Workshops, 2016; 36-42.
[33] Sreenath K, Lee T, Kumar V.Geometric control and differential flatness of a quadrotor uav with acable-suspended load. Decision and Control (CDC), 2013 IEEE 52nd AnnualConference on;IEEE, 2013; 2269-74.
[34] Sreenath K, Michael N, Kumar V.Trajectory generation and control of a quadrotor with a cable-suspended load-adifferentially-flat hybrid system. Robotics and Automation (ICRA), 2013 IEEEInternational Conference on;IEEE, 2013; 4888-95.
[35] Lee H, Kim H, Kim HJ. Pathplanning and control of multiple aerial manipulators for a cooperativetransportation. Intelligent Robots and Systems (IROS), 2015 IEEE/RSJInternational Conference on;IEEE, 2015; 2386-91.
[36] Goodarzi FA, Lee D, Lee T.Geometric control of a quadrotor uav transporting a payload connected viaflexible cable. International Journal of Control, Automation and Systems 2015;13(6):1486-98.
[37] Goodarzi FA, Lee T. Dynamicsand control of quadrotor uavs transporting a rigid body connected via flexiblecables. American Control Conference (ACC), 2015;IEEE, 2015; 4677-82.
[38] Xilun Ding and Yushu Yu, "Motion planning andstabilization control of a multi-propeller multifunction aerial robot", IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,vol. 18, no. 2, pp. 645-656, 2013.
[39] Yushu Yu and Vincenzo Lippiello, "6D Pose Task Trajectory Tracking for a Class of 3D Aerial Manipulator from Differential Flatness",IEEE Access, vol.7, pp. 52257-52265, 2019.
[40] Yushu Yu and Xilun Ding, "Trajectory linearizationcontrol on SO(3) with application to aerial manipulation", Journal of the Franklin Institute-Engineering and Applied Mathematics, vol. 355, no.15, pp. 7072-7097, 2018.
[41] Yushu Yu, Xilun Ding and J. Jim Zhu, "Dynamic Modelingand Control for Aerial Arm-operating of a Multi-propeller Multifunction Aerial Robot", AdvancedRobotics, vol. 31, no. 13, pp. 665-679, 2017.
[42] Yushu Yu and Xilun Ding, "On hybrid modeling andcontrol of a multi-propeller multifunction aerial robot with flying-walkinglocomotion", Autonomous Robots,vol. 38, no. 4, pp. 225-242, 2015.
[43] Yushu Yu and Xilun Ding, "Safe LandingAnalysis of a Quadrotor Aircraft with Two Legs", Journal of Intelligent and Robotic Systems, vol. 76, no. 3-4, pp. 527-537, 2014.
[44] Yushu Yu, Xilun Ding, and J. Jim Zhu, "Attitudetracking control of a quadrotor UAV in the exponential coordinates", Journal of the FranklinInstitute-Engineering and Applied Mathematics, vol.350, no. 8, pp. 2044-2068, 2013.
[45] Yushu Yu and Xilun Ding,"A Global Tracking Controller for Underactuated Aerial Vehicles:Design, Analysis, and Experimental Tests on Quadrotor", IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,vol. 21, no. 5, pp. 2499-2511, 2016.
[46] Yushu Yu and Yiqun Dong,"Global Fault tolerant control of Under-actuatedaerial vehicles with Redundant Actuators", International Journal of Aerospace Engineering, 2019, DOI:10.1155/2019/9754981.
作者簡介：俞玉樹，北京理工大學機電學院特別研究員，博士生導師，主要研究方向：機器人與控制。
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