作业型飞行机器人是一种将飞行机器人与作业装置相结合的具备空中主动作业能力的新型机器人,该机器人因灵活性高、机动性强、具备悬停能力等特点,可以迅速到达工作人员和地面机器人难以进入的高危复杂环境中执行信息获取与作业等任务,极大地拓展了飞行机器人的应用领域。本文针对户外无运动捕捉系统的条件下,作业型飞行机器人执行抓取、投放等作业任务时飞行机器人与被抓取目标之间难以相对定位的问题,提出了一种视觉引导的作业型飞行机器人系统设计方法。本文介绍了作业型飞行机器人的整体机构设计,建立飞行机器人运动学模型、作业装置运动学模型及复合系统动力学模型。该款作业型飞行机器人由四旋翼飞行器和作业装置两部分组成,其中作业装置包括三自由度机械臂和单自由度重心平衡机构,并对称安装在四旋翼飞行器机架下方。基于标记的摄像机位姿估计的实质就是在摄像机内参数已标定和若干特征点的坐标已知的前提下,通过特征点在摄像机照片中的成像,求解出摄像机位于标记坐标系内的坐标与旋转角度。本文选用ArUco标记,在其尺寸已知及摄像机内部参数已标定的前提下,通过机载的单目摄像机检测被抓目标上的ArUco标记,利用N点透视(PNP)算法解算摄像机位姿,进而得出飞行机器人位姿信息。然后,设计了控制器分级任务,将控制系统分为两个级别,分别是飞行机器人控制、作业装置控制。根据解算出的飞行机器人的位姿信息,设计出一种视觉引导的飞行机器人和作业装置分级控制方法。对以上设计的基于ArUco标记的视觉引导作业方法进行实验验证。首先,设计了一套静止实验和户外悬停实验的位姿对比标准和实验方法,分别进行静止实验和户外悬停实验,90 cm以内的静止精度在±0.2 cm以内,50 cm以内的户外悬停精度在±2.5 cm以内。其次,通过自主抓取直径2 cm、长30 cm、质量100 g的管柱状物体进一步验证了视觉引导作业方法的有效性和合理性。