一种陆空两栖机器人平台旋翼飞轮及其控制方法技术

本发明专利技术公开了无人机领域内的一种陆空两栖机器人平台旋翼飞轮及其控制方法，包括内圈结构和外圈结构，内圈结构设置在外圈结构之中，内圈结构与外圈结构之间通过滚动机构相连，外圈结构底部设置有多个起落架，内圈结构的上部设置有正向旋翼机构，内圈结构的下部设置有反向旋翼机构，正向旋翼机构和反向旋翼机构相互对称，内圈结构上还设置有控制机构，外圈结构的外周还覆盖有一圈独轮外壳；飞行上采用八旋翼控制，结构简单，可操纵性高，通过正反向旋翼机构，能够分别产生正反向推力，以快速变换推力的方向，控制机体的姿态稳定；通过独轮外壳与地面接触，是一种重心高而支点单一的滚动结构，在滚动时受地形起伏扰动小，具有灵活的越障能力。活的越障能力。活的越障能力。

【技术实现步骤摘要】
一种陆空两栖机器人平台旋翼飞轮及其控制方法


[0001]本专利技术涉及无人机领域内的旋翼飞轮及其控制方法。

技术介绍

[0002]现有的陆空两栖无人机在飞行时，则采用桨叶正转和反转来产生正向推力和反向推力进行起飞和降落。但是目前桨叶的气动外形决定了桨叶正转时产生较大的正向推力，反转时产生较小的反向推力，桨叶在反转时气动效率会降低，产生相同推力情况下能耗变大，获得稳定推力的延时变长，并且需要双向电子调速器来进行控制。这种无人机电池耗电快，变换推力来改变方向的反应时间不及时，而在地面上大多采用四轮运动，轮子相对较小，在狭窄崎岖的道路上越障能力较弱。其跨介质的运动能力不足，灵活性较差。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种陆空两栖机器人平台旋翼飞轮及其控制方法，具有跨介质运动能力，灵活性好，能耗更低，安全性和可靠性更高。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了一种陆空两栖机器人平台旋翼飞轮，包括内圈结构和外圈结构，内圈结构设置在外圈结构之中，内圈结构与外圈结构之间通过滚动机构相连，外圈结构底部设置有多个起本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陆空两栖机器人平台旋翼飞轮，其特征在于：包括内圈结构和外圈结构，内圈结构设置在外圈结构之中，内圈结构与外圈结构之间通过滚动机构相连，外圈结构底部设置有多个起落架，内圈结构的上部设置有正向旋翼机构，内圈结构的下部设置有反向旋翼机构，正向旋翼机构和反向旋翼机构相互对称，内圈结构上还设置有控制机构，外圈结构的外周还覆盖有一圈独轮外壳；外圈结构包括上外滚圈和下外滚圈，上外滚圈和下外滚圈的外缘之间通过外立柱连接，独轮外壳覆盖上外滚圈和下外滚圈之间的外周面；起落架与下外滚圈的底部相连，起落架设置有四个并且在下外滚圈的同一圆周上均匀分布；内圈结构包括上内圈框和下内圈框，上内圈框与下内圈框之间通过内立柱相连，上内圈框、下内圈框、上外滚圈和下外滚圈同心设置；滚动机构包括滚动电机和同心轴，滚动电机安装在上内圈框内的中心，滚动电机的轴端伸出上内圈框与上外滚圈的中心相连，同心轴的两端分别与下内圈框底部的中心和下外滚圈的中心相连。2.根据权利要求1所述的一种陆空两栖机器人平台旋翼飞轮，其特征在于：正向旋翼机构包括四个正向电机，正向电机均匀分布在上内圈框内的同一圆周上，正向电机的轴端安装有正向桨叶，正向桨叶的方向正对上外滚圈；反向旋翼机构包括四个反向电机，反向电机均匀分布在下内圈框内的同一圆周上，反向电机的轴端安装有反向桨叶，反向桨叶的方向正对下外滚圈。3.根据权利要求2所述的一种陆空两栖机器人平台旋翼飞轮，其特征在于：控制机构包括IMU、控制器、控制电路板、电池以及摄像头，其中IMU和控制器放置于下内圈框的顶部中央位置，控制电路板设置在上内圈框中并且围靠近滚动电机；电池安装在下内圈框中央，摄像头设置在电池的端头。4.一种陆空两栖机器人平台旋翼飞轮的控制方法，其特征在于：包括以下内容，步骤1，运动模式及坐标系的建立步骤2，控制分配；步骤3、动力学建模；步骤4、旋翼飞轮控制系统的建立。5.根据权利要求4所述的一种陆空两栖机器人平台旋翼飞轮的控制方法，其特征在于：步骤1的具体内容如下，建立世界坐标系，世界坐标系分为坐标系Body_1和坐标系Body_2，坐标系Body_1和坐标系Body_2分别对应空中飞行模式和地面运动模式，空中飞行模式和地面运动模式通过切换模式进行相互切换；其中，地球坐标系下三坐标方向为
e
x,
e
y,
e
z，Body_1坐标系下三坐标方向Body_2坐标系下三坐标方向6.根据权利要求5所述的一种陆空两栖机器人平台旋翼飞轮的控制方法，其特征在于：步骤2的具体内容如下，旋翼飞轮在飞行模式下，其前后左右运动依赖旋翼产生的推力；在地面模式下，其前后滚动依赖位于中心的滚动电机，其控制分配方程如下：
其中，其中，轴与旋翼所在的支撑臂之间夹角，单位：deg；d：坐标系中心O与旋翼在xoy平面的投影距离，单位：m；f
i
：第i个电机沿轴产生的推力，单位：N；f：机体总推力，满足单位：N；τ
x
,τ
y
,τ
z
，机体总力矩，在方向上分别分解，单位：N
·
m；c
T
：转速拉力比例系数；c
M
：推力扭矩比例系数；稳定的旋翼转速，单位：rad/s；P
a
：系数矩阵，是单位阵；M4(1,1,1)：分配矩阵，每项都是1或
‑
1。7.根据权利要求6所述的一种陆空两栖机器人平台旋翼飞轮的控制方法，其特征在于：步骤3的具体内容如下，步骤3.1，基于牛顿
‑
欧拉方法的飞行动力学建模，飞行模式动力学模型由牛顿欧拉方法建模如下：法建模如下：法建模如下：法建模如下：其中前两列表述了旋翼飞轮的位置变换与总推力的输出的关系，后两列表述了旋翼飞轮的姿态变换与力矩的输出的关系；上式中，m：无人机总质量,单位kg；g：重力加速度,单位m/s2；J,：关于机体坐标系的惯性矩阵,单位kg
·
m
2 R,机体坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵：
b
ω：Body_1坐标系中的角速度,单位rad/s；Θ：Body_1坐标系中的欧拉角,单位rad；W：欧拉角导数与Body_1坐标系中的角速度变换矩阵；
e
p：地球坐标系中质心的位置,单位m；
e
v：地球坐标系中质心的速度,单位：m/s；τ：旋翼产生的总扭矩,单位：N
·
m；G
a
：旋翼旋转产生的陀螺力矩,单位：N
·
m；步骤3.2，地面模式动力学模型由凯恩方法建模：
当设定了机体推力fi和欧拉角及角速度时旋翼飞轮的滚动状态可以进行计算；这些非线性二阶微分方程描述了在θ,和ψ三个方向上的动力学行为，为控制提供了模型；式中，n轴：Body_2坐标系下的方向,；m轴：Body_2坐标系下的方向；p轴：Body_2坐标系下的方向,；R：无人机圆形外壳总半径,单位：m；A,C：机体关于n,m,p轴的转动惯量J＝diag(A A C),单位：kg
·
m2；ψ：滚动航向角,单位：rad；θ：姿态俯仰角，飞行模式下为0
°
，地面模式下为90
°
,单位：rad；横滚角，描述了滚动前进的距离,单位：rad；T：滚动电机输出扭矩,单位：N
·
m；f：地面摩擦力,单位：N；为了使得旋翼飞轮在滚动时节约能源增加续航，则不要让旋翼电机进行工作只使用滚动电机，即f
i
＝0,T＝0；因为旋翼是依靠高速压缩空气产生推力维持滚动直立姿态，这会产生大量的热损失和电池能量消耗...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，王春铮，赵起祥，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：