飞行器的安全控制方法、装置及存储介质

1.本公开属于飞行器控制技术领域，特别涉及一种飞行器的安全控制方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.空中操作机器人是指飞行平台配备一个或多个机械臂、实现高空或地面多种操作任务的飞行操作系统，其应用范围广泛，包括高压线路空中检测与修复、高空异物处理、灾害紧急救援中关键物资(例如呼吸器、面罩、通信模块、扩音模块等等)的主动配送等等，是飞行器研究和发展的新方向。多旋翼飞行器由于具有结构简单、体积小、操作灵活、可以垂直起降和悬停等优势，是常见的飞行操作平台之一，多旋翼单机械臂操作系统的研究得到了较大的关注。
3.目前的多旋翼飞行操作机器人领域多集中于搭载单臂实现单一、简单的操作任务，自由度受限大，工作空间小，对操作对象的形态、体积要求高，鲜少考虑更为全面、复杂的多臂操作任务需求和飞行器的安全控制要求，即无法实现如大体积负载抓取和搬运等需要多臂协作的任务，在飞行器的飞行操作过程中难以完成紧急安全控制，比如紧急避障(路径规划无法保证实时性)、操作执行机构失调对飞行器造成大幅度扰动等突发危险，飞行器最基本的飞行操作安全性无法得到保障，对飞行器本身和外界环境带来较大安全隐患。
4.因此，为实现不断升级的飞行操作任务，保证飞行操作的稳定性和安全性，现有的单臂多旋翼飞行器和传统的稳定性控制研究已无法满足。


技术实现要素：

5.本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
6.为此，本公开第一方面实施例提供的可安全、稳定地执行复杂操作任务的飞行器的安全控制方法，所述飞行器上搭载有l个机械臂，l为大于1的正整数，每个所述机械臂均分别包括若干依次连接的关节，每个所述机械臂末端分别设有一个操作机构，所有机械臂及其末端的操作机构共同构成多臂操作机构；所述安全控制方法包括：
7.构建所述多臂操作机构的质心运动学模型；
8.利用所述多臂操作机构的质心运动学模型估计所述多臂操作机构对所述飞行器的偏转力和偏转力矩；
9.利用所述多臂操作机构对所述飞行器的偏转力和力矩构建基于自适应滑模控制方法的安全控制器，得到所述飞行器的安全路径跟踪策略，所述飞行器按照所述安全路径跟踪策略执行操作任务。
10.本公开第一方面实施例提供的一种飞行器的安全控制方法，具有以下特点及有益效果：
11.1、建立多臂操作机构的质心运动学模型，根据其整体操作机械机构的质心位置，设计实时估计算法，估算其对无人机飞行基座产生的偏转力和力矩；
12.2、考虑飞行操作场地有限，存在障碍物，飞行区域受限，且由于带臂飞行器的结构和功能性，飞行器的整个飞行过程中不会出现较大滚转、俯仰角以及突然的加速减速情况，近似为平飞状态，对多臂操作机构的实时操作动作进行干扰力和干扰力矩估计，设计多臂飞行器的安全控制器，保障飞行器在保证安全性的前提下尽可能完成飞行操作任务。若出现飞行操作任务及安全性相悖导致任务无法完成时，比如障碍物出现在飞行操作的预定操作点，确保飞行器安全性第一，保障自身及周围人员安全。
13.在一些实施例中，构建所述多臂操作机构的质心运动学模型为：
[0014][0015][0016]
其中，c(t)为t时刻多臂操作机构的质心矢量，为t时刻多臂操作机构的质心速度，ms为第s个机械臂的质量，cs(t)为t时刻机体坐标系下第s个机械臂的质心位置，为t时刻机体坐标系下第s个机械臂的质心速度。
[0017]
在一些实施例中，利用所述多臂操作机构的质心运动学模型估计所述多臂操作机构对所述飞行器的偏转力和偏转力矩，计算公式如下：
[0018][0019]
其中，为t时刻多臂操作机构对飞行器的偏转力及力矩的估计向量；c
x
(t)和cy(t)分别为t时刻多臂操作机构的质心矢量c(t)在机体坐标系下沿x，y轴的分量；α(t)为t时刻多臂操作机构的质心矢量在机体坐标系中xy平面的投影与x轴正方向的夹角，θ(t)为t时刻多臂操作机构的质心矢量与z轴正方向的夹角，和分别为α(t)和θ(t)对时间的一阶导数；a
uav
(t)为t时刻飞行器的飞行加速度，g为重力加速度矢量。
[0020]
在一些实施例中，当多臂操作机构采用平面双臂操作机构时，将t时刻多臂操作机构对飞行器的偏转力及力矩的估计向量简化为：
[0021][0022]
在一些实施例中，按照以下步骤得到所述飞行器的安全路径跟踪策略：
[0023]
构建飞行器的机体动力学模型如下：
[0024][0025]
其中，m(
·
)、c(
·
)和g(
·
)分别为飞行器的惯性矩阵、科氏力矩阵和重力矩阵；p(t)为t时刻飞行器在惯性坐标系下的位姿向量，和分别为t时刻飞行器在惯性坐标系下的位姿变化速度向量和位姿变化加速度向量；为t时刻飞行器的驱动力和力矩向量，为t时刻多臂操作机构对飞行器的偏转作用力和/或偏转作用力矩，fd(t)为有界干扰量，满足||fd(t)||≤k，k≥0为干扰输入的界值；
[0026]
设所述安全控制器的控制目标为：
[0027]
min(p(t)-pd(t))
t
(p(t)-pd(t))
[0028]
s.t.p(t)∈s1∩s2[0029]
其中，pd(t)为t时刻飞行器在惯性坐标系下的期望位姿向量；s1为飞行器的无碰撞位姿集合，h1(p(t))为与避障相关的障碍控制函数，(p(t))为与避障相关的障碍控制函数，(p(t))为与避障相关的障碍控制函数，为t时刻飞行器在惯性坐标系下的位姿向量p(t)与t时刻障碍物在惯性坐标下的位置矢量pc(t)的欧式距离的平方，dc为飞行器与障碍物的安全距离界值；s2为飞行器在可飞行球形区域内的位姿集合，h2(p(t))为与可飞行球形区域相关的障碍控制函数，h2(p(t))＝p(t)
t
p(t)-ds(t)2，ds(t)为t时刻惯性坐标系下飞行器的可飞行球形区域半径；
[0030]
构建基于自适应滑模控制方法的安全控制器如下：
[0031][0032][0033]
其中，为基于自适应滑模控制方法的安全控制器输出的t时刻飞行器的安全路径跟踪策略；f
bnorm
(t)为t时刻的参考控制输入，(t)为t时刻的参考控制输入，(t)为t时刻的参考控制输入，为t时刻的自适应项，п为自适应率，s(t)为滑模面，滑模面，为t时刻飞行器在惯性坐标系下的期望位姿变化速度向量，λ为指数趋近律，和分别为飞行器的惯性矩阵和科氏力矩阵的估计矩阵，为t时刻飞行器的期望位姿变化速度向量，
为t时刻飞行器的期望位姿变化加速度向量，k为滑模面趋近律，kh障碍控制比例系数，和分别为与避障相关的障碍控制函数h1(p(t))对时间的一阶导数和二阶导数，和分别为与可飞行区域限制相关的障碍控制函数h2(p(t))对时间的一阶导数和二阶导数。
[0034]
在一些实施例中，当所述多臂操作机构存在空闲臂时，所述安全控制方法还包括：
[0035]
在设定的质心偏移量最小化控制目标下求解执行操作任务的若干机械臂动作对飞行器的质心偏移量和质心偏移速度，根据所述质心偏移量和质心偏移速度得到空闲臂的质心调节控制策略，以此得到多臂操作机构对飞行器的偏转力和偏转力矩的估计向量，其中，在所述质心调节控制策略下多臂操作机构对飞行器的偏转力和偏转力矩的估计向量在旋翼所在平面的分量为0。
[0036]
在一些实施例中，按照以下步骤得到所述空闲臂的质心调节控制策略：
[0037]
设l个机械臂中有m个任务臂和n个空闲臂，1≤m＜l，n＝l-m；设初始状态时，在惯性坐标系下多臂操作机构的质心与机体质心在同一竖直线上，设t时刻多臂操作机构的期望质心矢量为cd(t)，且满足c
dx
(t)＝0，c
dy
(t)＝0，c
dx
(t)，c
dy
(t)分别为t时刻多臂操作机构的期望质心矢量cd(t)在机体坐标系下沿x，y轴的分量，并设质心调节的控制目标为c
x
(t)＝0，cy(t)＝0，c
x
(t)，cy(t)分别为t时刻多臂操作机构的质心矢量c(t)在机体坐标系下沿x，y轴的分量，根据所述多臂操作机构的质心运动模型求解得到各空闲臂的期望质心矢量和期望质心速度向量，计算公式如下：
[0038][0039][0040]
其中，和分别为第j个空闲臂的期望质心矢量在机体坐标系下沿x，y轴的分量，和分别为第j个空闲臂的期望质心速度向量在机体坐标系下沿x，y轴的分量；mi为机体坐标系下第i个任务臂的质量，mj为机体坐标系下第j个空闲臂的质量；αj(t)为t时刻第j个空闲臂的期望质心分配权重，满足
[0041]
根据所述各空闲臂的期望质心矢量和期望质心速度向量构建空闲臂控制器为：
[0042][0043]
其中，uj(t)为t时刻第j个空闲臂的控制力矩，即所述空闲臂的质心调节控制策略；q
jd
(t)和分别为由机械臂逆运动学解析方法计算得到的t时刻第j个空闲臂各关节的期望转动角度和期望角速度，k
p
，kd为空闲臂控制器增益。
[0044]
本公开第二方面实施例提供的飞行器的安全控制装置，所述飞行器上搭载有l个机械臂，l为大于1的正整数，每个所述机械臂均分别包括若干依次连接的关节，每个所述机械臂末端分别设有一个操作机构，所有机械臂及其末端的操作机构共同构成多臂操作机
构，所述飞行器的安全控制装置包括：
[0045]
构建所述多臂操作机构的质心运动学模型；
[0046]
利用所述多臂操作机构的质心运动学模型估计所述多臂操作机构对所述飞行器的偏转力和偏转力矩；
[0047]
利用所述多臂操作机构对所述飞行器的偏转力和力矩构建基于自适应滑模控制方法的安全控制器，得到所述飞行器的安全路径跟踪策略，所述飞行器按照所述安全路径跟踪策略执行操作任务。
[0048]
在一些实施例中，当所述多臂操作机构存在空闲臂时，所述安全控制装置还包括：
[0049]
质心调节控制模块，用于在设定的多臂操作机构质心偏移量最小化控制目标下求解执行操作任务的若干机械臂动作对飞行器的质心偏移量和质心偏移速度，根据所述质心偏移量和质心偏移速度得到空闲臂的质心调节控制策略，以此得到多臂操作机构对飞行器的偏转力和偏转力矩的估计向量，其中，在所述质心调节控制策略下多臂操作机构对飞行器的偏转力和偏转力矩的估计向量在机体坐标系xy平面的分量为0。
[0050]
本公开第三方面实施例提供的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本公开第一方面任一实施例提供的安全控制方法。
附图说明
[0051]
图1是本公开第一方面实施例提供的飞行器的安全控制方法的流程图。
[0052]
图2是本公开第一方面实施例提供的安全控制方法中多臂飞行器的受力示意图。
[0053]
图3是本公开第一方面实施例提供的安全控制方法中平面双臂飞行器的受力示意图。
[0054]
图4中(a)和(b)分别是采用本公开第一方面实施例提供的安全控制方法时飞行器在飞行过程中任务机械臂的第一个关节和第二个关节的动作轨迹图。
[0055]
图5和图6分别是通过本公开第一方面实施例提供的安全控制方法中质心调节控制策略得到的单臂动作与双臂动作对飞行器的偏转力和偏转力矩估计对比曲线，其中，图5(a1)～图5(a3)分别为单臂动作与双臂动作对飞行器的偏转力沿x、y、z轴的分量估计的对比曲线，图6(b1)～图6(b3)分别为单臂动作与双臂动作对飞行器的偏转力矩沿x、y、z轴的分量估计的对比曲线。
[0056]
图7(a)和图7(b)分别是采用和未采用本公开第一方面实施例提供的安全控制器时飞行器的路径变化曲线图。
[0057]
图8(a)和图8(b)分别是图7(a)和图7(b)中障碍物附近的飞行器路径变化放大图。
[0058]
图9是本公开第三方面实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0059]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本技术，并不用于限定本技术。
[0060]
相反，本技术涵盖任何由权利要求定义的在本技术精髓和范围上做的替代、修改、
等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本技术有更好的了解，在下文对本技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本技术。
[0061]
参见图1，本公开第一方面实施例提供的飞行器的安全控制方法，所述飞行器上搭载有l个机械臂，l为大于1的正整数，每个机械臂均分别包括若干依次连接的关节，每个机械臂末端分别设有一个操作机构，所有机械臂及其末端的操作机构共同构成多臂操作机构。本公开第一方面实施例提供的飞行器的安全控制方法包括以下步骤：
[0062]
构建多臂操作机构的质心运动学模型；
[0063]
利用多臂操作机构的质心运动学模型估计多臂操作机构对飞行器的偏转力和偏转力矩；
[0064]
利用多臂操作机构对飞行器的偏转力和力矩构建基于自适应滑模控制方法的安全控制器，得到飞行器的安全路径跟踪策略，飞行器按照该安全路径跟踪策略执行操作任务。
[0065]
在一些实施例中，考虑到多臂飞行器的机械臂的各关节均采用轻质高强度的材料制成(如各关节为碳纤维轻质杆)，且质心变化是连续可微的。此外，考虑到飞行器机体的质量分布为对称的，其质心位置不会随机体运动而发生变化，飞行操作系统的质心偏转变化完全是由多臂操作机构的质心运动变化引起的，因此可以将机体坐标系下的多臂操作机构的质心位置变化作为整个飞行器的质心位置变化，从而通过建立多臂操作机构的质心运动学模型，可定量化估计机械臂动作和作用于操作对象的操作对飞行操作系统的质心偏转影响。具体包括：
[0066]
参见图2，定义机体坐标系x-y-z，飞行器机体的质心矢量为0矢量(机体坐标系以飞行器机体的质心为原点o建立)。设t时刻多臂操作机构的质心矢量为c(t)，t时刻多臂操作机构的质心速度为多臂操作机构的质心运动模型建立如下：
[0067][0068][0069]
其中，ms为第s个机械臂(包含执行器末端及负载)的质量，cs(t)为t时刻机体坐标系下第s个机械臂(包含执行器末端及负载)的质心位置，s＝1，2，
…
，l，为t时刻机体坐标系下第s个机械臂的质心速度。
[0070]
在一些实施例中，针对所有机械臂均执行操作动作的任务场景，考虑机动过载情况，同时考虑飞行稳定性因素，机械臂的动作较为缓慢，满足静态平衡条件，且飞行器整个飞行过程近似为平飞状态，飞行器在整个飞行过程中俯仰角和滚转角度较小且变化缓慢，提出基于多臂操作机构质心位置和质心速度的多臂操作机构对飞行器的偏转力和偏转力矩的快速估计方法，其计算方法如下所示：
[0071][0072]
其中，为t时刻多臂操作机构对飞行器的偏转力及力矩的估计向量；c
x
(t)，cy(t)分别为t时刻多臂操作机构的质心矢量c(t)在机体坐标系下沿x，y轴的分量；|c(t)|为t时刻多臂操作机构的质心矢量的模；α(t)为t时刻多臂操作机构的质心矢量在机体坐标系中xy平面的投影与x轴正方向的夹角，θ(t)为t时刻多臂操作机构的质心矢量与机体坐标系中z轴正方向的夹角，和分别为α(t)和θ(t)对时间的一阶导数，即；a
uav
(t)为t时刻飞行器的飞行加速度，g为重力加速度矢量。
[0073]
进一步地，以平面双机械臂操作机构(飞行器飞行过程中保持水平姿态，无姿态变换，整个操作机构的质心位置永远处于xz平面内)为例，参见图3，考虑机动过载情况，此时双臂操作机构对飞行器的偏转力和力矩可以简化估计为：
[0074][0075]
在一些实施例中，利用多臂操作机构对飞行器的偏转力和力矩构建基于自适应滑模控制方法的安全控制器，得到飞行器的安全路径跟踪策略，具体包括以下步骤：
[0076]
s1：构建飞行器的机体动力学模型，表达式如下：
[0077][0078]
其中，m(
·
)、c(
·
)和g(
·
)分别为飞行器的惯性矩阵、科氏力矩阵和重力矩阵；p(t)为t时刻飞行器在惯性坐标系下的位姿向量，由t时刻飞行器在惯性坐标系下的位置向量pb(t)和姿态角向量φb(t)构成，即p(t)＝[pb(t)，φb(t)]
t
，和分别为p(t)对时间的一阶导数和二阶导数，即t时刻飞行器在惯性坐标系下的位姿变化速度向量和位姿变化加速度向量；为t时刻飞行器的驱动力和力矩向量，是t时刻多臂操作机构对飞行器的偏转力和偏转力矩估计向量，fd(t)为t时刻外界环境对飞行器的偏转作用力和/或偏转作用力矩，fd(t)为有界干扰量，满足||fd(t)||≤k，k为干扰输入的界值。
[0079]
s2：针对多臂操作任务需求，对飞行器构建基于自适应滑模控制方法的安全控制器，确保由于机械臂动作对飞行器造成的扰动影响，在保证飞行器的飞行安全性的前提下完成路径跟踪。对任意常数或向量a，b，定义d
a，b
＝(a-b)
t
(a-b)，d
a，b
表示a，b的欧式距离的
平方。
[0080]
设安全控制器的控制目标是：
[0081]
min(p(t)-pd(t))
t
(p(t)-pd(t))
[0082]
s.t.p(t)∈s1∩s2[0083]
其中，pd(t)为t时刻飞行器在惯性坐标系的质心期望位姿向量(包括位置向量和姿态角向量)，可由任务规划层的飞行器期望位置和机械臂期望转角计算得到；s1为飞行器的无碰撞位姿集合，h1(p(t))为与避障相关的障碍控制函数，数，为t时刻飞行器在惯性坐标系下的位姿向量p(t)与t时刻障碍物在惯性坐标下的位置矢量pc(t)的欧式距离的平方，dc为飞行器与障碍物的安全距离；s2为飞行器的安全区域飞行位姿集合，h2(p(t))为与安全区域相关的障碍控制函数，h2(p(t))＝p(t)
t
p(t)-ds(t)2，ds(t)为t时刻惯性坐标系下飞行器的安全飞行区域半径。
[0084]
构建的基于自适应滑模控制方法的安全控制器为：
[0085][0086][0087]
其中，为基于自适应滑模控制方法的安全控制器输出的t时刻飞行器的最优驱动力和力矩向量，即飞行器的安全路径跟踪策略；f
bnorm
(t)为t时刻的参考控制输入，(t)为t时刻的参考控制输入，(t)为t时刻的参考控制输入，为t时刻的自适应项，п为自适应率，s(t)为滑模面，п为自适应率，s(t)为滑模面，为t时刻飞行器在惯性坐标系下的质心期望位姿变化速度向量，λ为指数趋近律，和分别为飞行器的惯性矩阵和科氏力矩阵的估计矩阵，为t时刻飞行器的期望位姿变化速度向量，变化速度向量，为t时刻飞行器的期望位姿变化加速度向量，k为滑模面趋近律，kh为障碍控制比例系数；和分别为与避障相关的障碍控制函数h1(p(t))对时间的一阶导数和二阶导数，和分别为与安全区域相关的障碍控制函数h2(p(t))对时间的一阶导数和二阶导数。
[0088]
在一些实施例中，当多臂操作机构存在空闲臂时，即一部分机械臂执行操作任务，剩余的机械臂处于空闲状态，本公开第一方面实施例提供的飞行器的安全控制方法还包括：
[0089]
在设定的多臂操作机构质心偏移量最小化控制目标下求解执行操作任务的若干机械臂动作对飞行器的质心偏移量和质心偏移速度，根据该质心偏移量和质心偏移速度得到其余空闲臂的质心调节控制策略，以此得到多臂操作机构对飞行器的偏转力和偏转力矩的估计向量，其中，该质心调节控制策略下多臂操作机构对飞行器的偏转力和偏转力矩的估计向量在机体坐标系xy平面的分量为0。
[0090]
进一步地，针对m个机械臂(1≤m＜l)操作任务，其余的n＝l-m个机械臂处于空闲状态；设初始状态时，在惯性坐标系下多臂操作机构的质心与机体质心在同一竖直线上，设t时刻多臂操作机构的期望质心矢量为cd(t)，在机体坐标系xy平面(即旋翼所在平面，因为飞行器整个飞行过程近似于平飞，因此xy平面为平行于地面)无偏移，即满足c
dx
(t)＝0，c
dy
(t)＝0，c
dx
(t)，c
dy
(t)分别为t时刻多臂操作机构的期望质心矢量cd(t)在机体坐标系下沿x，y轴的分量；并设质心调节的控制目标为c
x
(t)＝0，cy(t)＝0，c
x
(t)，cy(t)分别为t时刻多臂操作机构的质心矢量c(t)在机体坐标系下沿x，y轴的分量，根据构建的多臂操作机构的质心运动模型求解得到各空闲臂的期望质心矢量和期望质心速度向量，计算公式如下：
[0091][0092][0093]
其中，和分别为第j个空闲臂的期望质心矢量在机体坐标系下沿x，y轴的分量，和分别为第j个空闲臂的期望质心速度向量在机体坐标系下沿x，y轴的分量；mi为机体坐标系下第i个任务臂的质量，mj为机体坐标系下第j个空闲臂的质量；αj(t)为t时刻第j个空闲臂的期望质心分配权重，满足根据该空闲臂在基座的安装位置与计算得出的任务臂期望质心矢量之间的位置关系得到，具体权重大小按照正对位置、远旁侧位置、近旁侧位置依次减小；
[0094]
根据上述得到的各空闲臂的期望质心矢量和期望质心速度向量构建空闲臂控制器为：
[0095][0096]
其中，uj(t)为t时刻第j个空闲臂的控制力矩，即所述空闲臂的质心调节控制策略；q
jd
(t)和分别为由机械臂逆运动学解析方法计算得到的t时刻第j个空闲臂各关节的期望转动角度和期望角速度，k
p
，kd为空闲臂控制器增益。
[0097]
通过空闲臂控制器控制空闲臂执行相应的动作操作，实现对飞行器的质心偏移主动控制，保证飞行器在机体坐标系xy平面的质心稳定性，一定程度上减小甚至消除整个操作机构对飞行器在机体坐标系xy平面的干扰力和力矩，可大大降低飞行器控制的负担，提高飞行稳定性。
[0098]
下面对本公开第一方面实施例提供的双臂飞行器的控制方法的有效性进行验证：
[0099]
考虑下面一组仿真算例，双臂飞行器(双机械臂结构相同，对称分布在基座两侧，每个机械臂均包括两个关节)在惯性坐标系下的初始位置为[0，0，0]，安全飞行区域为原点为圆心、半径为8的圆球区域，障碍物的质心位置为[2.4，2.4，3]，近似为半径为1的圆球，期望位置为[5，5，6]，位于安全区域之外。飞行过程中任务机械臂的动作轨迹如图4所示，图4中(a)和(b)分别为飞行过程中任务机械臂的第一个关节和第二个关节的动作轨迹，通过质心调节控制策略计算空闲臂的期望轨迹，实现对空闲臂的控制，在此作用下单臂动作与双
臂动作对飞行器的偏转力和偏转力矩估计对比曲线如图5、图6所示，图5、图6中虚线代表单臂执行任务对飞行器的偏转作用，图5、图6中实线代表双臂执行任务对飞行器的偏转作用，图5(a1)～图5(a3)分别为单臂动作与双臂动作对飞行器的偏转力沿x、y、z轴的分量估计的对比曲线，图6(b1)～图6(b3)分别为单臂动作与双臂动作对飞行器的偏转力矩沿x、y、z轴的分量估计的对比曲线，由此可证明质心调节控制策略有效降低了双臂动作对飞行器的干扰影响。飞行器在安全控制器(参考控制输入)作用下的路径变化曲线图见图7，图7(a)为安全控制器下飞行器的飞行路径，飞行器始终保持在安全区域之内，最终停留在与期望位置最近的安全区域界线上，图7(b)为无安全控制器下飞行器的飞行路径，飞行器飞出了安全区域；图8(a)和图8(b)分别为图7(a)和图7(b)中障碍物附近的飞行器路径变化放大图，图7中(a)显示了安全控制器下飞行器沿所设置的障碍物边缘绕过了障碍物，未发生碰撞，图7中(b)显示飞行器穿过了障碍物，即发生了与障碍物的碰撞。
[0100]
综上所述，本公开第一方面实施例提供的飞行器的安全控制方法，给出了多臂操作机构对飞行器的偏转力和力矩的估计方法；以多臂操作机构两种操作模式(部分臂操作任务和所有臂操作任务)为出发点，充分利用多臂的优势，部分臂操作时空闲臂发挥质心调节作用，在所有臂均有操作任务时或者部分臂扰动作用过大时设计飞行器的基于自适应滑模控制方法的安全控制器，克服操作机构引起的扰动影响，保证飞行稳定性；考虑飞行器的飞行安全问题，建立控制障碍函数，以安全性为第一准则，避免对多飞行器或环境造成破坏，在满足飞行安全的前提下保证飞行器完成飞行操作任务。
[0101]
本公开第二方面实施例提供的飞行器的安全控制装置，所述飞行器上搭载有l个机械臂，l为大于1的正整数，每个所述机械臂均分别包括若干依次连接的关节，每个所述机械臂末端分别设有一个操作机构，所有机械臂及其末端的操作机构共同构成多臂操作机构，本公开第二方面实施例提供的飞行器的安全控制装置包括：
[0102]
质心运动学模型构建模块，用于构建多臂操作机构的质心运动学模型；
[0103]
偏转力和偏转力矩估计模块，用于利用多臂操作机构的质心运动学模型估计多臂操作机构对飞行器的偏转力和偏转力矩；
[0104]
安全路径跟踪控制模块，用于利用多臂操作机构对飞行器的偏转力和力矩构建基于自适应滑模控制方法的安全控制器，得到飞行器的安全路径跟踪策略，飞行器按照该安全路径跟踪策略执行多臂操作任务。
[0105]
在一些实施例中，针对多臂操作机构存在空闲臂，即一部分机械臂执行操作任务，剩余的机械臂处于空闲状态时，本公开第二方面实施例提供的飞行器的安全控制装置还包括：
[0106]
质心调节控制模块，用于在设定的多臂操作机构质心最小偏移控制目标下求解执行操作任务的若干机械臂动作对飞行器的质心偏移量和质心偏移速度，根据该质心偏移量和质心偏移速度得到其余空闲臂的质心调节控制策略，以此得到多臂操作机构对飞行器的偏转力和偏转力矩的估计向量，其中，在该质心调节控制策略下多臂操作机构对飞行器的偏转力和偏转力矩的估计向量在机体坐标系xy平面的分量为0。
[0107]
为了实现上述实施例，本公开实施例还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，用于执行上述实施例的机床旋转轴几何误差识别方法。
[0108]
下面参考图9，其示出了适于用来实现本公开实施例的电子设备100的结构示意图。其中，需要说明的是，本公开实施例中的电子设备100可以包括但不限于诸如移动电话、笔记本电脑、数字广播接收器、pda(个人数字助理)、pad(平板电脑)、pmp(便携式多媒体播放器)、车载终端(例如车载导航终端)等等的移动终端以及诸如数字tv、台式计算机、服务器等等的固定终端。图9示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。
[0109]
如图9所示，电子设备100可以包括处理装置(例如中央处理器、图形处理器等)101，其可以根据存储在只读存储器(rom)102中的程序或者从存储装置108加载到随机访问存储器(ram)103中的程序而执行各种适当的动作和处理。在ram 103中，还存储有电子设备100操作所需的各种程序和数据。处理装置101、rom 102以及ram 103通过总线104彼此相连。输入/输出(i/o)接口105也连接至总线104。
[0110]
通常，以下装置可以连接至i/o接口105：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头、麦克风等的输入装置106；包括例如液晶显示器(lcd)、扬声器、振动器等的输出装置107；包括例如磁带、硬盘等的存储装置108；以及通信装置109。通信装置109可以允许电子设备100与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图9示出了具有各种装置的电子设备100，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。
[0111]
特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图中所示方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置109从网络上被下载和安装，或者从存储装置108被安装，或者从rom 102被安装。在该计算机程序被处理装置101执行时，执行本公开实施例的方法中限定的上述功能。
[0112]
需要说明的是，本公开上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、rf(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。
[0113]
上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未
装配入该电子设备中。
[0114]
上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：构建所述多臂操作机构的质心运动学模型；利用所述多臂操作机构的质心运动学模型估计所述多臂操作机构对所述飞行器的偏转力和偏转力矩；利用所述多臂操作机构对所述飞行器的偏转力和力矩构建基于自适应滑模控制方法的安全控制器，得到所述飞行器的安全路径跟踪策略，所述飞行器按照所述安全路径跟踪策略执行操作任务。
[0115]
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、smalltalk、c 、python，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
[0116]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0117]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0118]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0119]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器
(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0120]
应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0121]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤，可以通过程序来指令相关的硬件完成，所开发的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0122]
此外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0123]
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。