基于柔性切换的飞机蒙皮健康检测机器人曲率自适应运动控制研究

Due to the harsh environment of the high altitude, long time and high capacity of the flight, the aircraft skin will appear crack, corrosion, impact and other defects. These defects will cause damage to the structure integrity of aircraft skin, but the state of aircraft skin has directly influenced on the safety of aircraft flight. At present, the aircraft skin detection is mainly based on manual inspection.The experience and state of the inspector decide the results. In this project, motion control of a robot for aircraft skin health inspection based on a double frame electric/pneumatic platform is dealt with. The dynamic model with the curvature motion and nonholomic constraints is established. The flexible switching strategy using fuzzy dynamic space division is presented. A hybrid electric/pneumatic fuzzy sliding mode control for the robot’s movement system and adsorption system will be realized. In terns of multi-sucking discs adsorbing characteristics, a curvature fuzzy adaptive motion / adsorption force control is proposed based on the feedback of tilt angle and pressure .The experiments of the motion control and dynamic inspection on the curvature surface of the aircraft for the robot will be carried out. The continuity ,stability and rapidity of the dynamic inspection will be improved .This research is of great significance for improving the detection level of aircraft skin damage, shortening maintenance time of aircraft, and ensuring the safety of flight.

由于高空环境恶劣，飞机长时间、高负荷的飞行，飞机蒙皮会出现裂纹、腐蚀、撞击等损伤，并对飞机蒙皮的结构产生破坏，而飞机蒙皮的健康状况直接影响飞机安全飞行。目前飞机蒙皮的检测仍然主要依靠人工检测，检测人员的经验、状态等直接影响检测结果。本项目基于双框架电动/气动混合式飞机蒙皮健康检测机器人，研究飞机蒙皮健康检测机器人运动控制方法，建立考虑飞机曲面运动约束的非完整机器人动力学模型，提出基于模糊动态区间划分的柔性切换策略，实现蒙皮检测机器人运动过程移动系统和吸附系统的电动/气动混合模糊滑模控制，通过对飞机蒙皮曲面抗倾覆和抗滑落条件的分析，提出基于倾角/压力反馈的曲率/吸附力模糊自适应运动控制方法，进行蒙皮检测机器人在飞机表面上作业的运动控制与动态检测实验验证，提高蒙皮动态检测的连续性、稳定性与实时性。本项目的研究对于提高飞机蒙皮损伤的检测水平，缩短飞机的检修维护时间，保障飞行安全具有重要的意义。

飞机蒙皮覆盖在机身骨架上，主要起到减少发动机的阻力、让飞行更顺畅的作用。而一旦蒙皮破损会影响舱压，导致飞行阻力变大等一系列严重安全问题。目前飞机蒙皮主要以人工检查方式为主，存在劳动强度大、检测周期长、漏检率高等问题。本项目开展飞机蒙皮健康检测机器人曲率自适应运动控制与损伤检测研究。. 设计了飞机蒙皮检测机器人改进型吸附系统，推导出机器人吸附在曲面上的抗倾翻和抗滑落条件，提出了双框架蒙皮检测机器人内外吸盘组柔性切换策略，设计了一种吸附力自调节控制和基于自适应扩张状态观测器的吸盘内压差非奇异终端滑模控制，对飞机蒙皮检测机器人的吸附系统开展实验与仿真研究，讨论了不同斜面下吸附力自调节过程中机器人的稳定性，以及柔性切换策略引起的吸盘内压差的变化情况，实验结果表明柔性切换与吸附力自调整控制能够保证机器人安全吸附。. 分析了双框架电动/气动混合式多吸盘蒙皮健康检测机器人的机械结构和曲面运动过程中受力情况，设计了一种改进的姿态调整结构，建立了机器人曲面非完整约束方程和机器人的动力学模型，针对不确定、参数未知、扰动的动力学控制问题，分别提出了基于自适应RBF神经网络的全局快速终端滑模控制、输出受限的飞机蒙皮检测机器人反步控制、输入受限输入延时积分增强型最优跟踪控制和基于预测算子的自适应反馈控制等方法。. 为了使得机器人运动具有良好的人机交互性，设计了基于Linux操作系统的嵌入式机器人运动控制系统软件，实现了飞机蒙皮检测机器人远程手柄遥操作控制。. 针对飞机蒙皮表面紧固件腐蚀损伤检测问题，制作了飞机蒙皮表面紧固件腐蚀损伤图像数据集，采用卷积神经网络实现了飞机蒙皮紧固件腐蚀损伤的检测与定位。 . 本项目研究取得的成果表明，柔性切换策略与自适应运动方法可以有效提高飞机蒙皮健康动态检测过程的稳定性、连续性与实时性及其损伤检测的性能。因此，本项目的研究对提高飞机蒙皮健康检测水平，缩短飞机的检修维护时间，保障飞行安全具有重要意义。