何慰，方勇纯,*，梁潇，张鹏

1. 南开大学 机器人与信息自动化研究所，天津 300350 2. 天津市智能机器人技术重点实验室，天津 300350

旋翼无人机在应用领域受到越来越多的关注。由于其结构简单、成本低廉的优点，被广泛应用于航拍、电力巡检、巡逻等应用领域[1]。在这些应用场景中，无人机主要用于环境感知，缺乏和环境的主动交互。飞行机械臂系统是在旋翼无人机上安装带有末端执行器的机械臂，增强了无人机系统和环境的交互能力，从而使其在货物抓取与运输、装配、样品采集、救灾等领域发挥极大的作用[2-7]。

旋翼无人机本身存在欠驱动性和状态变量之间的耦合特性[8]，在增加机械臂后不仅增加了系统的耦合性，还增加了系统自由度数量，使得系统模型极为复杂。在考虑无人机自身受到干扰的情况下，需要7自由度机械臂才能使得末端执行器以任意姿态到达工作空间内任意工作点且抑制扰动的影响[5]。因此飞行机械臂系统一般为高冗余系统，这使得该系统的运动规划问题非常困难。无人机带臂飞行过程中，机械臂产生的质心偏移会使无人机受到更大的离心力和科氏力影响；而在机械臂动态运动过程中，也会对无人机产生反作用力，这些扰动会显著影响无人机的稳定性。综上所述，飞行机械臂系统在建模、规划和控制等方面都十分有挑战性。

在建模方面，主要有牛顿-欧拉法和欧拉-拉格朗日法[9]。前者在实际应用中易于实现，后者由于显式地给出系统质量矩阵、广义科氏力矩阵和重力矩阵，便于进行控制器的设计和分析。……