一种可变形小型四旋翼四足飞爬机器人及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种可变形小型四旋翼四足飞爬机器人及其控制方法，飞爬机器人包括机身、四个旋翼组件和四个腿部组件，其中：机身，包括安装座、飞爬控制模块、调节模块和电池，调节模块包括电源模块和电调；腿部组件，实现至少两个自由度转动，包括至少两个腿节和关节驱动舵机、一个轮腿切换组件，轮腿切换组件可切换为脚掌或滚轮，各腿部组件分布于安装座上，并通过对应关节驱动舵机驱动实现水平摆动；旋翼组件，与腿部组件一一对应连接，包括螺旋桨和电机，螺旋桨通过电机驱动旋转，电机与电调电连接。并可实现空地自主切换，产生不同环境下的运动模态，提高空地运动稳定性和多样性，在复杂环境下具有较好的机动性和适应性，满足小型化侦察需求。小型化侦察需求。小型化侦察需求。

【技术实现步骤摘要】
一种可变形小型四旋翼四足飞爬机器人及其控制方法


[0001]本专利技术属于机器人
，具体涉及一种可变形小型四旋翼四足飞爬机器人及其控制方法。

技术介绍

[0002]微小型机器人是一项多学科交叉的高精尖技术，其尺寸小、质量轻、机动性高，在现代多应用领域展示出极大的潜在优势和应用价值，成为了当今先进国家的科技前沿课题。目前，微小型机器人的研究还处于初级发展阶段，尤其是厘米级机器人的研究与设计，距离真正小型化和智能化还有很大差距，机器人自身质量、尺寸、驱动器功率等方面的严格限制带来了极大挑战性。随着陆空高危场景的日趋复杂，仅仅依靠单一的运动形态已经不足以满足现实执行任务的操作需求。受自然界生物启发，昆虫作为一类高机动性、高适应性的动物，大多都具有飞行以及爬行两种运动形态，模仿其外形结构和运动特性是提升机器人空地协同运动能力的有效方法。
[0003]现有技术中，论文Zhang R.,Wu Y.,Zhang L.,Xu C.,and Gao F.,Autonomous and Adaptive Navigation for Terrestrial
‑
Aerial Bimodal Vehicles,IEEE Robotics and Automation Letters,2022,7(2):3008
‑
3015.中提出了一种基于四旋翼的轮式机器人，包括两个被动轮和一个可倾转四旋翼，并能通过运动规划和控制算法在飞行和滚动两种运动模态之间进行自主切换。授权公告号为CN108502044B的中国专利公开了一种组合分离式旋翼与足式移动操作机器人，包括多旋翼飞行机构、多足步行操作机构，以及实现多旋翼飞行机构与多足步行操作机构两者结合与分离的组合分离机构。组合分离机构包括上连接模块与下连接模块，分别安装于多旋翼飞行机构底部与多足步行操作机构顶部，通过两者间锁定配合，可实现空中飞行、支撑面飞爬、陆地攀爬行走以及相应的操作功能，并可通过机器人机构的组合分离，完成多模式空地协同作业。
[0004]以上所提出的飞爬机器人均具有陆空两栖运动能力，但是属于组合式结构，组合式飞爬机器人采用简单的组合构型，结构相对复杂、自重大、体积大、集成度低、空气阻力大，导致飞行机动性能大大减弱。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述问题，提出一种可变形小型四旋翼四足飞爬机器人及其控制方法，可根据环境条件自适应地变换相应的运动模态，具有小型轻量化、空气阻力小、隐蔽性好、越障性能好、续航时间长的优点，在复杂陆空作业环境下具有较好的机动性和适应性，可满足小型化的侦察需求和复杂陆空环境的作业需求。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案为：
[0007]本专利技术提出的一种可变形小型四旋翼四足飞爬机器人，包括机身、四个旋翼组件和四个腿部组件，其中：
[0008]机身，包括安装座、以及均安装于安装座上的飞爬控制模块、调节模块和电池，调
节模块包括电源模块和电调，电池、电源模块、飞爬控制模块和电调依次电连接；
[0009]腿部组件，用于实现至少两个自由度的转动，包括至少两个腿节、至少两个关节驱动舵机和一个轮腿切换组件，各关节驱动舵机与腿节一一对应连接并与飞爬控制模块电连接，各腿节依次连接并通过对应的关节驱动舵机驱动旋转，轮腿切换组件包括滚轮和脚掌，脚掌与滚轮的转动轴转动连接，通过旋转脚掌切换腿部组件的末端为脚掌或滚轮，各腿部组件呈矩形分布于安装座上，并通过对应连接的关节驱动舵机驱动实现绕安装座的水平摆动；
[0010]旋翼组件，包括螺旋桨和电机，螺旋桨通过电机驱动旋转，电机与腿部组件一一对应，并固定于腿部组件上除安装座所连腿节之外的其余任一腿节上，电机还与电调电连接，在空中飞行模式下，螺旋桨处于水平状态，腿部组件在“T”型、“H”型、“O”型、“X”型四种飞行运动模态之间转换。
[0011]优选地，安装座包括多个连接杆和依次设置且相互平行的第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板，第一支撑板和第二支撑板连接，连接杆的两端分别与第二支撑板和第三支撑板连接，飞爬控制模块安装于第一支撑板上，调节模块穿设于第二支撑板上，电池位于第二支撑板和第三支撑板之间。
[0012]优选地，旋翼组件还包括与电机连接的限位支撑板，用于实现与旋翼组件所连腿节的转动限位。
[0013]优选地，腿节为两个，包括大腿节和小腿节，关节驱动舵机为两个，包括髋关节驱动舵机和膝关节驱动舵机，髋关节驱动舵机与安装座连接，并用于驱动大腿节绕安装座水平摆动，膝关节驱动舵机用于驱动小腿节绕大腿节上下摆动，轮腿切换组件设于小腿节的末端。
[0014]优选地，大腿节的水平摆动范围为180
°
，小腿节的上下摆动范围为90
°
。
[0015]优选地，各螺旋桨在水平状态下沿高度方向错位分布。
[0016]优选地，螺旋桨还设有筒状保护罩，并通过螺旋桨推进实现筒状保护罩的轮式运动或吸附运动。
[0017]优选地，脚掌的末端设有爪刺机构或黏附机构。
[0018]优选地，可变形小型四旋翼四足飞爬机器人搭载有视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器和触觉传感器至少其一，各传感器与飞爬控制模块电连接。
[0019]一种可变形小型四旋翼四足飞爬机器人的控制方法，包括如下步骤：
[0020]S1、分别构建飞爬机器人的四旋翼动力学模型和四足动力学模型；
[0021]S2、采用在线系统辨识方法确定四旋翼动力学模型在不同飞行运动模态下的螺旋桨升力系数K
T
；
[0022]S3、确定空中飞行模式的飞行运动模型，飞行运动模型包括静态飞行运动模型和动态飞行运动模型，静态飞行运动模型采用“前馈+PD反馈”控制方式来实现四旋翼动力学模型的“X”型飞行运动模态，动态飞行运动模型采用升力补偿算法来实现四旋翼动力学模型的“T”型、“H”型或“O”型飞行运动模态，其中：
[0023]“前馈+PD反馈”控制方式满足如下公式：
[0024][0025]式中，u(t)为四旋翼动力学模型的输入量，x(t)为四旋翼动力学模型的状态量，e(t)为四旋翼动力学模型的误差量，为与四旋翼动力学模型相关的常系数，K
p
为控制器的比例系数，K
d
为控制器的微分系数，为前馈项，为PD反馈项；
[0026]升力补偿算法满足如下公式：
[0027][0028][0029]T＝k(φ)w2[0030]式中，T为单个螺旋桨的升力，φ为螺旋桨变形后的遮挡角度，ω为螺旋桨的角速度，k(φ)为遮挡角度相关函数，为补偿后的期望电机速度，k是取决于遮挡角度相关函数k(φ)的伸缩因子，K
T
为升力系数且等于k(φ＝0)；
[0031]S4、采用双层CPG网络和最近邻耦合模型来控制四足动力学模型的足端运动轨迹，双层CPG网络包括八个振荡器，并划分为用于控制髋关节的意识层和用于控制膝关节的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可变形小型四旋翼四足飞爬机器人，其特征在于：所述可变形小型四旋翼四足飞爬机器人包括机身(1)、四个旋翼组件(2)和四个腿部组件(3)，其中：所述机身(1)，包括安装座、以及均安装于所述安装座上的飞爬控制模块(14)、调节模块(15)和电池(16)，所述调节模块(15)包括电源模块和电调，所述电池(16)、电源模块、飞爬控制模块(14)和电调依次电连接；所述腿部组件(3)，用于实现至少两个自由度的转动，包括至少两个腿节、至少两个关节驱动舵机和一个轮腿切换组件(35)，各所述关节驱动舵机与腿节一一对应连接并与所述飞爬控制模块电连接，各所述腿节依次连接并通过对应的所述关节驱动舵机驱动旋转，所述轮腿切换组件(35)包括滚轮(351)和脚掌(352)，所述脚掌(352)与滚轮(351)的转动轴转动连接，通过旋转所述脚掌(352)切换所述腿部组件(3)的末端为所述脚掌(352)或滚轮(351)，各所述腿部组件(3)呈矩形分布于所述安装座上，并通过对应连接的所述关节驱动舵机驱动实现绕所述安装座的水平摆动；所述旋翼组件(2)，包括螺旋桨(21)和电机(22)，所述螺旋桨(21)通过所述电机(22)驱动旋转，所述电机(22)与腿部组件(3)一一对应，并固定于所述腿部组件(3)上除所述安装座所连腿节之外的其余任一所述腿节上，所述电机(22)还与所述电调电连接，在空中飞行模式下，所述螺旋桨(21)处于水平状态，所述腿部组件(3)在“T”型、“H”型、“O”型、“X”型四种飞行运动模态之间转换。2.如权利要求1所述的可变形小型四旋翼四足飞爬机器人，其特征在于：所述安装座包括多个连接杆(17)和依次设置且相互平行的第一支撑板(11)、第二支撑板(12)和第三支撑板(13)，所述第一支撑板(11)和第二支撑板(12)连接，所述连接杆(17)的两端分别与所述第二支撑板(12)和第三支撑板(13)连接，所述飞爬控制模块(14)安装于所述第一支撑板(11)上，所述调节模块(15)穿设于所述第二支撑板(12)上，所述电池(16)位于所述第二支撑板(12)和第三支撑板(13)之间。3.如权利要求1所述的可变形小型四旋翼四足飞爬机器人，其特征在于：所述旋翼组件(2)还包括与所述电机(22)连接的限位支撑板(23)，用于实现与所述旋翼组件(2)所连腿节的转动限位。4.如权利要求1所述的可变形小型四旋翼四足飞爬机器人，其特征在于：所述腿节为两个，包括大腿节(32)和小腿节(34)，所述关节驱动舵机为两个，包括髋关节驱动舵机(31)和膝关节驱动舵机(33)，所述髋关节驱动舵机(31)与安装座连接，并用于驱动所述大腿节(32)绕所述安装座水平摆动，所述膝关节驱动舵机(33)用于驱动所述小腿节(34)绕所述大腿节(32)上下摆动，所述轮腿切换组件(35)设于所述小腿节(34)的末端。5.如权利要求4所述的可变形小型四旋翼四足飞爬机器人，其特征在于：所述大腿节(32)的水平摆动范围为180
°
，所述小腿节(34)的上下摆动范围为90
°
。6.如权利要求1所述的可变形小型四旋翼四足飞爬机器人，其特征在于：各所述螺旋桨(21)在水平状态下沿高度方向错位分布。7.如权利要求1所述的可...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳文娟，季心宇，
申请(专利权)人：中国电子科技南湖研究院，
类型：发明
国别省市：