双框架飞机蒙皮检测机器人切换运动控制方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun．252015V01．36No．62064．20731SSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．educi3hkxb@buaa．edu．cn双框架飞机蒙皮检测机器人切换运动控制方法沈桂鹏，王从庆*，王琪南京航空航天大学自动化学院，南京210016摘要：针对一种双框架飞机蒙皮检测机器人，通过分析该机器人在飞机表面上的受力情况，在飞机表面该机器人受到了非完整约束，基于牛顿一欧拉法建立了机器人非完整约束动力学模型。根据机器人机械结

2、构和运动步态分析，将该非完整机器人系统分为子系统A和子系统B。为了实现机器人在飞机表面运动，采用反演技术和快速Terminal滑模控制相结合的思想对系统设计了控制器，提出了一种反演一滑模控制方法；对于非完整机器人子系统A和子系统B，设计了一种基于事件驱动的切换策略，实现了机器人对期望轨迹的全局渐近跟踪，并利用Lyapunov稳定性证明系统的跟踪误差收敛。仿真和试验表明，采用该切换策略和反演一滑模控制方法，双框架飞机蒙皮检测机器人可以在飞机表面自由运动并进行损伤检测，具有良好的可靠性和稳定性。关键词：双框架飞机蒙皮检测机器人；动力学模型；反演技术

3、；快速Terminal滑模控制；切换策略中图分类号：V19；TP242文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)06—2064—10爬壁机器人是一典型的非完整系统，在考虑受非完整约束情况下，建立它的动力学模型变得更复杂，近年来基于动力学模型的爬壁机器人轨迹跟踪方法得到了广泛的研究。王巍和宗光华u]研究了在各种构型情况下灵巧壁面移动机器人的动力学和运动学特性。岳荣刚和王少萍L23建立了City—Climber机器人在地面、墙壁和天花板上爬行的运动学和动力学模型，并通过仿真表明其正确性。李志诲等[3]研究了四轮驱动滑动吸盘式爬壁机器人在

4、滑动导向运动方式下的动力学问题，为其结构优化和安全驱动控制提供了理论依据。徐祯祥和刘荣[41针对椭球形壁面，设计了一个有两种移动机构组成的壁面移动机器人，对其横向运动进行了运动学分析并做了相关试验。庞海龙和马保离[53对参数不确定轮式移动机器人设计了动态反馈统一控制律，可以跟踪任意参考轨迹，跟踪误差全局一致最终有界且最终界可以任意小。闰茂德等睇1基于反演技术和自适应滑模控制相结合的思想实现了非完整机器人全局渐近稳定的轨迹跟踪。上述研究的机器人系统都是单一的，而本文设计的双框架飞机蒙皮检测机器人系统是由两个子系统组成，通过两个子系统的切换实现该机

5、器人在飞机表面的作业控制。切换系统模型存在于很多生产实际领域，在工业控制中的应用研究成为一个新的热点口]。付主木等∞3为了提高小车迅速消除集装箱摆动的能力，提出一种以事件驱动为切换规则的多模型参考切换双闭环防摇控制算法。张华等[93采用基于多模型切换预测函数控制锅炉蒸汽温度。为了实现双框架飞机蒙皮检测机器人两个子系统在飞机曲面的切换运动，本文首先基于牛顿一欧拉法建立了该机器人的动力学模型；提出了一收稿日期：2014-07·07；退修日期：2014-07—14；录用日期：2014-09—15；两络出版时间：2014-10-0908：53网络出版地

6、址：WWW．cnkinet／kcms／detail／10．7527／$1000—6893．20140260htm基金项目：江苏省科技支撑(工业)计划项目(BE2010190)*通讯作者．Tel，：025—84892305E—mail：cqwang@nuaaedu．crl弓

7、角接武lShenGP。WangCQ，WangQ?SwitchingmotioncontrolofanaircraftskindetectionrobotwithdoubleframesEJ]，ActaAeronau—ticaetAstronauticaSinica．2015．

8、36(6)：2064-2073．沈桂鹦．I从庚．王琪i双框架飞机蒙皮检莉机器A切换运动控翱方法[J]．航空学报．2015．36(6)：2064—2073．沈桂鹏等：双框架飞机蒙皮检测机器人切换运动控制方法2065种基于事件驱动的双系统切换控制算法，且每个子系统采用反演技术和快速Terminal滑模相结合的控制，并通过仿真和试验来表明该方法的有效性。1运动机理随着科技的发展，机器人应用领域越来越广泛，如家庭服务、航空制造、工业生产、医疗等等[1“11]。而本文研制的一种机器人用于飞机蒙皮检测，主要检测由于高空环境恶劣，飞机长时间、高负荷的飞行，而

9、造成飞机蒙皮出现的裂纹、腐蚀、撞击等损伤。如图1所示，该机器人采用3层架构，第1层和第3层架构分别为机器人的外框架和内框架，第2层架构为机器人实现运动