单涵道陆空跨域机器人及其控制方法技术

本发明专利技术一种单涵道陆空跨域机器人及其控制方法，属于两栖机器人技术领域，本发明专利技术提供的单涵道陆空跨域机器人通过设置姿态平衡系统的控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，进而通过扭矩控制量对机身进行姿态调整；通过两个轮足舵机控制轮足装置的腿部连杆和上腿关节，提升了轮足系统的灵活性和稳定性；根据环境识别系统对行进环境的判断，对轮足系统、涵道风扇系统以及飞行控制系统进行相应调整，使得机器人进入不同的行进模式，从而实现陆空跨域的快速切换的技术效果。

Single culvert land air trans domain robot and its control method

【技术实现步骤摘要】
单涵道陆空跨域机器人及其控制方法
本专利技术涉及两栖机器人
，具体说，涉及一种单涵道陆空跨域机器人及其控制方法。
技术介绍
随着科技的进步和发展，越来越多的应急救援机器人或者无人机应用于灾区侦察或搜救等活动中。涵道式无人机由于其结构紧凑，易于携带，使用安全，适合在无明显干扰的环境(城市、桥梁、野外)中使用，具有广阔的应用前景。然而，目前缺少一种既可以在野外复杂环境中(如峭壁、山洞、树林)进行飞行搜救，又可以在相对复杂的地面空间(如沟壑，水坑)内进行越障和移动探测的陆空两栖机器人。现有技术中的一种陆空两栖机器人(申请号为201410716895.9)，采用仿生化设计并将陆行装置与飞行装置固定连接。路行装置采用仿生结构的不完全轮，简化自动倾斜器以及共轴双桨方式的机械结构，同时实现了越障和飞行，但其存在运动效率低、平稳度不足，可靠性差的问题。一种陆空两栖双环变形机器人(申请号为201510349634.2)，包括：相套并在一径向上的两端铰接以旋转配合的一外圆环和一内圆环；运动效率得以提升并且可以通过折叠变形内圆环风道方向调整飞行姿态或者陆地行进姿态；但是由于飞行中姿态和方向调整是通过飞控电机实现，而飞控电机易受高速旋翼产生的陀螺力和环境干扰力的影响，导致机器人存在可控性差的弊端。另外，还公开了一种可变形多模态陆空飞行机器人(申请号为201510431995.1)，包括本体、自动驾驶仪、翼臂装置、轮毂装置和吸附装置，能实现行走、飞行、吸附三种运动模式。其结构稳定得到了一定程度的提升，但是，存在弊端如下：在进行陆空模式转换时动作程序较复杂导致了转换速度较慢，从而无法适应需要快速转换陆空模式的工作场景。因此，亟需一种适应性高且陆空模式转换迅速的单涵道陆空跨域机器人。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种单涵道陆空跨域机器人及其控制方法，该单涵道陆空跨域机器人具有高稳定性以及陆空模式的快速切换的特点，为灾难救援或者战场提供一种辅助的侦查装置。为了实现上述目的，本专利技术提供一种单涵道陆空跨域机器人包括机体、设置在机体中心的涵道风扇系统、环境识别系统、飞行控制系统、姿态平衡系统、动力系统以及设置在机体下方的轮足系统；其中，轮足系统包括至少两个轮足装置，每个轮足装置均包括用于驱动轮足装置旋转的轮足舵机一以及用于驱动轮足装置行进的轮足舵机二；飞行控制系统包括电子调速器、飞控舵机、控制电子调速器和飞控舵机的飞行控制板以及通过飞控舵机控制的副翼；副翼设置在涵道风扇系统出风口位置的正下方；其中，气流被涵道风扇系统吸入后，流经副翼表面并产生压差，从而实现飞行控制系统对涵道风扇系统的姿态进行调整；姿态平衡系统包括控制力矩陀螺群，控制力矩陀螺群为金字塔构型的四个控制力矩陀螺，通过控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，通过扭矩控制量对机身进行姿态调整；动力系统，用于为涵道风扇系统、环境识别系统、姿态平衡系统、飞行控制系统和轮足系统提供动力。进一步，优选的，轮足装置还包括胶轮、轮足驱动电机、电机固定板、下腿关节、深沟球轴承、腿部连杆和上腿关节，其中，胶轮与轮足驱动电机的输出端相连接，轮足驱动电机通过电机固定板固定在下腿关节上，下腿关节上端连接腿部连杆，腿部连杆与轮足舵机二的输出轴通过曲柄相连接，下腿关节上设置有深沟球轴承，上腿关节的上端连接轮足舵机一的输出轴，上腿关节的下端连接深沟球轴承，且上腿关节罩设在腿部连杆的外侧。进一步，优选的，获得X轴的扭矩控制量的表达式如下：其中，τx，τy，τz分别为X、Y、Z三个轴方向上的扭矩，为动量矩矢量对时间的求导，H为初始的角动量，β为控制力矩陀螺安装角，sβ表示sinβ，cβ表示cosβ，δ为X轴正半轴上第一个控制力矩陀螺的转角。进一步，优选的，机体包括上盖、外壳体和设置在外壳体内部的短框架，上盖内设置有环境识别系统，涵道风扇系统与外壳体通过短框架相连接。进一步，优选的，涵道风扇系统包括风扇外壳、单涵道风扇和风扇驱动装置；单涵道风扇包括叶唇、扇叶和顶尖，单涵道风扇的入风口设置有可拆卸的叶唇，扇叶为可分瓣式轴流风扇扇叶并通过顶尖固定，进一步的，涵道风扇的出风口处设置有反螺旋固定叶片。进一步，优选的，飞行控制系统中副翼为四组，其中，每组副翼包括通过连接板并联的3个翼型，翼型的支撑截面形状为NACA0018；其中，四组副翼分别通过飞控舵机一、飞控舵机二、飞控舵机三以及飞控舵机四控制。进一步，优选的，轮足驱动电机夹固在两个电机固定板中间。进一步，优选的，轮足驱动电机的输出轴连接的胶轮数量为两个。为了实现上述目的，本专利技术还保护一种单涵道陆空跨域机器人及其控制方法的控制方法，方法通过上述单涵道陆空跨域机器人实现，方法包括：通过环境识别系统对行进环境进行判定，根据判定的情况启动相应的行进模式；并通过姿态平衡系统的控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，通过扭矩控制量对机身进行姿态调整；通过轮足系统控制轮足舵机一以及轮足舵机二，进而调整轮足装置的状态；通过飞行控制系统中的飞控舵机控制副翼，进而调整涵道风扇系统的姿态；其中，当判定出现高低不平的路段时，调整轮足装置变形至最高尺寸以顺利通过高低不平的路段；当判定回归平坦路段时，调整轮足装置回归正常行进状态；当判定出现无法移动越过的障碍时，启动飞行模式飞过障碍，并调整轮足装置收缩至最小尺寸，以减少飞行阻力；当判定到达设定着陆地点后，降低涵道风扇系统转速，并使轮足装置回归正常行进状态准备着陆。进一步，优选的，获得所述Z轴的扭矩控制量的表达式如下：其中，τx，τy，τz分别为X、Y、Z三个轴方向上的扭矩，为动量矩矢量对时间的求导，H为初始的角动量，β为控制力矩陀螺安装角，sβ表示sinβ，cβ表示cosβ，δ为X轴正半轴上第一个控制力矩陀螺的转角。如上所述，本专利技术一种单涵道陆空跨域机器人及其控制方法，通过两个轮足舵机控制轮足装置，使得轮足装置根据环境状况调整其结构模式，实现了高稳定性以及陆空模式的快速切换；其有益效果如下：1)通过设置姿态平衡系统的控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，进而通过扭矩控制量对机身进行姿态调整；2)通过两个轮足舵机控制轮足装置的腿部连杆和上腿关节，提升了轮足系统的灵活性和稳定性；3)根据环境识别系统对行进环境的判断，对轮足系统、涵道风扇系统以及飞行控制系统进行相应调整，使得机器人进入不同的行进模式，从而实现陆空跨域的快速切换。为了实现上述以及相关目的，本专利技术的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本专利技术的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本专利技术的原理的各种方式中的一些方式。此外，本专利技术旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。附图说明通过参考以下结合附图的说明及权利要求本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，包括机体、设置在所述机体中心的涵道风扇系统、环境识别系统、飞行控制系统、姿态平衡系统、动力系统以及设置在所述机体下方的轮足系统；其中，/n所述轮足系统包括至少两个轮足装置，每个轮足装置均包括用于驱动所述轮足装置旋转的轮足舵机一以及用于驱动所述轮足装置行进的轮足舵机二；/n所述飞行控制系统包括电子调速器、飞控舵机、控制所述电子调速器和所述飞控舵机的飞行控制板以及通过所述飞控舵机控制的副翼；所述副翼设置在所述涵道风扇系统出风口位置的正下方；其中，气流被所述涵道风扇系统吸入后，流经所述副翼表面并产生压差，从而实现所述飞行控制系统对所述涵道风扇系统的姿态进行调整；/n所述姿态平衡系统包括控制力矩陀螺群，所述控制力矩陀螺群为金字塔构型的四个控制力矩陀螺，通过所述控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，通过所述扭矩控制量对所述机身进行姿态调整；/n所述动力系统，用于为所述涵道风扇系统、所述环境识别系统、所述姿态平衡系统、所述飞行控制系统和所述轮足系统提供动力。/n

【技术特征摘要】
1.一种单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，包括机体、设置在所述机体中心的涵道风扇系统、环境识别系统、飞行控制系统、姿态平衡系统、动力系统以及设置在所述机体下方的轮足系统；其中，
所述轮足系统包括至少两个轮足装置，每个轮足装置均包括用于驱动所述轮足装置旋转的轮足舵机一以及用于驱动所述轮足装置行进的轮足舵机二；
所述飞行控制系统包括电子调速器、飞控舵机、控制所述电子调速器和所述飞控舵机的飞行控制板以及通过所述飞控舵机控制的副翼；所述副翼设置在所述涵道风扇系统出风口位置的正下方；其中，气流被所述涵道风扇系统吸入后，流经所述副翼表面并产生压差，从而实现所述飞行控制系统对所述涵道风扇系统的姿态进行调整；
所述姿态平衡系统包括控制力矩陀螺群，所述控制力矩陀螺群为金字塔构型的四个控制力矩陀螺，通过所述控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，通过所述扭矩控制量对所述机身进行姿态调整；
所述动力系统，用于为所述涵道风扇系统、所述环境识别系统、所述姿态平衡系统、所述飞行控制系统和所述轮足系统提供动力。


2.根据权利要求1所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，所述轮足装置还包括胶轮、轮足驱动电机、电机固定板、下腿关节、深沟球轴承、腿部连杆和上腿关节，其中，
所述胶轮与所述轮足驱动电机的输出端相连接，所述轮足驱动电机通过所述电机固定板固定在所述下腿关节上，所述下腿关节上端连接所述腿部连杆，所述腿部连杆与所述轮足舵机二的输出轴通过曲柄相连接，所述下腿关节上设置有所述深沟球轴承，所述上腿关节的上端连接所述轮足舵机一的输出轴，所述上腿关节的下端连接所述深沟球轴承，且所述上腿关节罩设在所述腿部连杆的外侧。


3.根据权利要求1所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，获得所述X轴的扭矩控制量的表达式如下：



其中，
τx，τy，τz分别为X、Y、Z三个轴方向上的扭矩，为动量矩矢量对时间的求导，H为初始的角动量，β为控制力矩陀螺安装角，sβ表示sinβ，cβ表示cosβ，δ为X轴正半轴上第一个控制力矩陀螺的转角。


4.根据权利要求1所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，机体包括上盖、外壳体和设置在所述外壳体内部的短框架，所述上盖内设置有环境识别系统，所述涵道风扇系统与所述外壳体通过所述短框架相连接。

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亮，吕琼莹，薛珊，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22