一种自主避障陆空两栖装置及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种自主避障陆空两栖装置及其控制方法，该控制方法包括以下步骤：获取装置的地面可行驶区域、空中可通行区域以及运行状态，并建立所述装置所处环境的三维地图；根据所述装置所处环境的三维地图，分别规划出所述装置的最优飞行轨迹和最优行驶轨迹，比较得到所述装置的最优轨迹；根据最优轨迹，获取装置的飞行控制量和行驶控制量。本发明专利技术能够自主切换陆空两栖装备的地面行驶与空中飞行两种机动模式，完成陆空两栖装备在紧急情况下多模态机动避障，有效提升了陆空两栖装备行驶安全性。全性。全性。

An autonomous obstacle avoidance amphibious device and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种自主避障陆空两栖装置及其控制方法


[0001]本专利技术涉及设备运动控制
，特别是一种自主避障陆空两栖装置及其控制方法。

技术介绍

[0002]陆空两栖装备是具备垂直起降飞行能力和地面行驶能力的新型载运工具，是未来立体交通的主要载体。其空中飞行能力是由装备的多旋翼飞行系统来实现，地面行驶能力由配备履带行驶系统来实现。该陆空两栖装备可以根据应用场景在飞行模式或者行驶模式之间切换。
[0003]但是，目前陆空两栖装备自主避障系统中地面行驶避障功能与空中飞行避障功能是独立运行，不能自动切换陆空模式实现多模态机动避障。因此，陆空两栖装备自主避障功能只使用当前运行模式下的单一机动能力进行避障。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本专利技术提供一种自主避障陆空两栖装置及其控制方法，实现了在在紧急情况下多模态机动避障，提高了行驶安全性。
[0005]本专利技术公开了一种自主避障陆空两栖装置，所述装置包括中央控制器、探测装置、惯性导航系统、驱动电机、驱动电机控制器、旋翼电机、旋翼电机控制器；所述中央控制器分别与所述探测装置、惯性导航系统、驱动电机控制器、旋翼电机控制器相连接；所述驱动电机控制器用于控制驱动电机；所述旋翼电机控制器用于控制旋翼电机；
[0006]所述探测装置用于获取所述装置的地面可行驶区域、空中可通行区域；所述惯性导航系统用于获取所述装置的运行状态；
[0007]所述中央控制器用于接收所述装置的地面可行驶区域、空中可通行区域以及运行状态，并建立所述装置所处环境的三维地图，然后同时进行空中飞行和地面行驶的轨迹规划，并比较所述装置的最优飞行轨迹和最优行驶轨迹，从中选择最优的轨迹，控制所述装置按照所述选择的最优的轨迹，在地面行驶或空中飞行。
[0008]进一步地，所述中央控制器包括：获取地面可行驶区域和空中可通行区域的局部环境三维建图模块，获取最优轨迹的局部避障轨迹规划模块，获取飞行控制量和行驶控制量的运动控制模块；
[0009]所述局部环境三维建图模块、局部避障路径轨迹规划模块、运动控制模块依次相连接。
[0010]进一步地，所述装置还包括履带；所述驱动电机包括左侧驱动电机、右侧驱动电机；所述驱动电机控制器包括左侧驱动电机控制器、右侧驱动电机控制器；所述履带包括左侧履带、右侧履带；当需要所述装置在陆地行驶时，所述中央控制器通过给左侧驱动电机控制器发送控制指令，控制左侧驱动电机驱动左侧履带运动，所述中央控制器通过给右侧驱动电机控制器发送控制指令，控制右侧驱动电机驱动右侧履带运动。
[0011]进一步地，所述装置还包括旋翼；所述旋翼电机控制器包括左前旋翼电机控制器、右前旋翼电机控制器、左后旋翼电机控制器、右后旋翼电机控制器；所述旋翼包括左前旋翼、右前旋翼、左后旋翼、右后旋翼；当需要所述装置在空中飞行时，所述中央控制器通过给旋翼电机控制器发送控制指令，能够通过左前旋翼电机控制器、右前旋翼电机控制器、左后旋翼电机控制器、右后旋翼电机控制器依次控制左前旋翼、右前旋翼、左后旋翼、右后旋翼按照控制指令的要求飞行。
[0012]进一步地，所述探测装置安装在所述装置的前部或中部，所述探测装置包括深度相机或者激光雷达。
[0013]进一步地，所述惯性导航系统安装于在所述装置的中部，能够融合GPS、轮速、激光或视觉里程计，测量所述装置的当前位置、姿态、速度和加速度。
[0014]进一步地，所述中央控制器采用CAN总线、串口或网线与所述装置通信。
[0015]进一步地，所述中央控制器通过CAN总线连接驱动电机控制器、惯性导航系统、电池系统；所述中央控制器通过串口或者网线连接探测装置；所述中央控制器通过PWM或CAN总线连接旋翼电机控制器。
[0016]本专利技术还公开了一种自主避障陆空两栖装置的控制方法，用于控制上述所述的自主避障陆空两栖装置，包括以下步骤：
[0017]步骤1、获取装置的地面可行驶区域、空中可通行区域以及运行状态，并建立所述装置所处环境的三维地图；
[0018]步骤2、根据所述装置所处环境的三维地图，分别规划出所述装置的最优飞行轨迹和最优行驶轨迹，比较得到所述装置的最优轨迹；
[0019]步骤3、根据最优轨迹，获取装置的飞行控制量和行驶控制量。
[0020]进一步地，所述步骤1包括：
[0021]通过探测装置采集的环境点云\深度信息，获得地面可行驶区域和空中可通行区域；
[0022]所述步骤2包括：
[0023]根据所述装置所处环境的三维地图，采用混合A*算法分别获得满足运动约束的最优飞行轨迹和最优行驶轨迹，比较得到的最优飞行轨迹代价值和最优行驶轨迹代价值，以最小代价值对应的轨迹作为最优轨迹。
[0024]进一步地，所述步骤3包括：
[0025]当最优轨迹为飞行轨迹时，该轨迹包括期望的位置、速度、加速度，其与当前位置、速度、加速度误差，通过串级PID控制率得到期望的姿态角和油门推力，再通过姿态控制率得到多旋翼电机控制器输入，发送给多旋翼电机控制器；获取的所述飞行控制量包括期望的姿态角、油门推力和多旋翼电机控制器输入；
[0026]当最优轨迹为行驶轨迹时，该轨迹包括期望的位置、航向角和车速，其与当前位置、航向角和车速误差，通过PID控制率得到两侧驱动电机控制器输入，发送给驱动电机控制器；获取的所述行驶控制量包括两侧驱动电机控制器输入。
[0027]进一步地，所述最优飞行轨迹代价值通过飞行轨迹代价函数进行计算；其中，所述飞行轨迹代价函数为：
[0028]J
fly
＝w1J
f_target
+w2J
f_energy
[0029]式中，w1和w2为代价权重，J
f_target
为终点代价，J
f_energy
为能量消耗代价；
[0030]J
f_target
＝(x
N
‑
x
target
)2+(y
N
‑
y
target
)2+(z
N
‑
z
target
)2[0031][0032]式中，m为陆空两栖装置质量，g为重力加速度，P为悬停功率， N为规划步数，Δ
t
为规划时间步长；C为空气阻力系数，ρ为空气密度，S为迎风面积，x
N
、y
N
、z
N
分别为规划终点的x轴坐标、y轴坐标、z轴坐标，x
target
、y
target
、z
target
分别为目标点的x轴坐标、y轴坐标、 z轴坐标，x0、y0、z0分别为起始点的x轴坐标、y轴坐标、z轴坐标， ux
i
、uy
i
、uz
i
分别为第i步的飞行速度；
[0033]当J
f_ener本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自主避障陆空两栖装置，其特征在于，所述装置包括中央控制器、探测装置、惯性导航系统、驱动电机、驱动电机控制器、旋翼电机、旋翼电机控制器；所述中央控制器分别与所述探测装置、惯性导航系统、驱动电机控制器、旋翼电机控制器相连接；所述驱动电机控制器用于控制驱动电机；所述旋翼电机控制器用于控制旋翼电机；所述探测装置用于获取所述装置的地面可行驶区域、空中可通行区域；所述惯性导航系统用于获取所述装置的运行状态；所述中央控制器用于接收所述装置的地面可行驶区域、空中可通行区域以及运行状态，并建立所述装置所处环境的三维地图，然后同时进行空中飞行和地面行驶的轨迹规划，并比较所述装置的最优飞行轨迹和最优行驶轨迹，从中选择最优的轨迹，控制所述装置按照所述选择的最优的轨迹，在地面行驶或空中飞行。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中央控制器包括：获取地面可行驶区域和空中可通行区域的局部环境三维建图模块，获取最优轨迹的局部避障轨迹规划模块，获取飞行控制量和行驶控制量的运动控制模块；所述局部环境三维建图模块、局部避障轨迹规划模块、运动控制模块依次相连接。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括履带；所述驱动电机包括左侧驱动电机、右侧驱动电机；所述驱动电机控制器包括左侧驱动电机控制器、右侧驱动电机控制器；所述履带包括左侧履带、右侧履带；当需要所述装置在陆地行驶时，所述中央控制器通过给左侧驱动电机控制器发送控制指令，控制左侧驱动电机驱动左侧履带运动，所述中央控制器通过给右侧驱动电机控制器发送控制指令，控制右侧驱动电机驱动右...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐寿星，樊伟，徐彬，刘春桃，
申请(专利权)人：北京理工大学重庆创新中心，
类型：发明
国别省市：