一种轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法及系统，涉及车辆运动控制技术领域，该方法包括：根据轮腿式车辆运动方向上障碍物的信息，确定离地时刻质心的纵向和垂向速度；基于轮腿式车辆离地时刻质心的纵向和垂向速度，确定轮腿式车辆起跳、腾空和着地阶段的质心垂向轨迹，以及腾空阶段的轮端垂向轨迹；根据起跳、腾空和着地阶段的质心垂向轨迹，腾空阶段的轮端垂向轨迹、以及质心姿态与腿部关节角度的关系确定腿部的期望关节角度；根据实际关节角度、实际关节角速度、期望关节角度、期望关节角速度和期望角加速度输出关节的控制力矩信号；根据期望车轮转速确定车轮的控制力矩信号。本发明专利技术提高了轮腿式车辆的越障能力和高动态运动能力。高动态运动能力。高动态运动能力。

【技术实现步骤摘要】
一种轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及车辆运动控制
，特别是涉及一种轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法及系统。

技术介绍

[0002]轮腿式车辆具有多模态复合驱动能力的，可应用于复杂地形环境中，满足多元化任务工况的需求，在非结构化道路路况下，着重需要依靠腿部关节作动来完成越障动作。然而，当前针对轮腿式车辆领域的研究并不多，在轮腿式车辆越障这一方面更是鲜有研究。现有的对于轮腿式车辆的越障方法，多是围绕步态或迈腿来完成攀爬障碍物的动作，这种越障动作的性能会受到腿长、轴距、关节角度上下限等结构参数的制约，在面对较高的障碍物或较远的沟渠时，轮腿式车辆将难以通过。且这种攀爬运动的控制难以适应多种工况，在面对不同高度障碍物时需要重新规划每一步的落足位置，因此这种越障方法难以泛化，在不同工况下需要进行大量的规划，降低了轮腿式车辆的高动态运动能力。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法及系统，提高了轮腿式车辆跳跃障碍的高动态运动能力。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]一种轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法，包括：
[0006]根据轮腿式车辆运动方向上障碍物的高度和长度，确定所述轮腿式车辆离地时刻质心的纵向速度和垂向速度；
[0007]基于所述轮腿式车辆离地时刻质心的纵向速度和垂向速度，确定所述轮腿式车辆起跳阶段的质心垂向轨迹、腾空阶段的质心垂向轨迹、腾空阶段的轮端垂向轨迹和着地阶段的质心垂向轨迹；
[0008]根据所述轮腿式车辆腿部的几何向量关系和腿部逆运动学，确定质心姿态与腿部关节角度的关系；
[0009]根据所述起跳阶段的质心垂向轨迹、所述腾空阶段的质心垂向轨迹、所述腾空阶段的轮端垂向轨迹、所述着地阶段的质心垂向轨迹、以及质心姿态与腿部关节角度的关系确定腿部的期望关节角度；
[0010]根据关节编码器反馈的实际关节角度、实际关节角速度、以及期望关节角度、期望关节角速度和期望角加速度输出关节的控制力矩信号；所述期望关节角速度和所述期望角加速度根据所述期望关节角度微分确定；
[0011]根据起跳阶段初始时刻质心的纵向速度确定所述起跳阶段、所述腾空阶段和所述着地阶段的期望车轮转速，根据所述期望车轮转速确定车轮的控制力矩信号。
[0012]本专利技术还公开了一种轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制系统，包括：
[0013]离地时刻质心速度确定模块，用于根据轮腿式车辆运动方向上障碍物的高度和长
度，确定所述轮腿式车辆离地时刻质心的纵向速度和垂向速度；
[0014]质心垂向和轮端垂向轨迹确定模块，用于基于所述轮腿式车辆离地时刻质心的纵向速度和垂向速度，确定所述轮腿式车辆起跳阶段的质心垂向轨迹、腾空阶段的质心垂向轨迹、腾空阶段的轮端垂向轨迹和着地阶段的质心垂向轨迹；
[0015]质心姿态与腿部关节角度的关系确定模块，用于根据所述轮腿式车辆腿部的几何向量关系和腿部逆运动学，确定质心姿态与腿部关节角度的关系；
[0016]期望关节角度确定模块，用于根据所述起跳阶段的质心垂向轨迹、所述腾空阶段的质心垂向轨迹、所述腾空阶段的轮端垂向轨迹、所述着地阶段的质心垂向轨迹、以及质心姿态与腿部关节角度的关系确定腿部的期望关节角度；
[0017]关节的控制力矩信号确定模块，用于根据关节编码器反馈的实际关节角度、实际关节角速度、以及期望关节角度、期望关节角速度和期望角加速度输出关节的控制力矩信号；所述期望关节角速度和所述期望角加速度根据所述期望关节角度微分确定；
[0018]车轮的控制力矩信号确定模块，用于根据起跳阶段初始时刻质心的纵向速度确定所述起跳阶段、所述腾空阶段和所述着地阶段的期望车轮转速，根据所述期望车轮转速确定车轮的控制力矩信号。
[0019]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0020]本专利技术根据障碍物信息和车辆自身的信息决策离地时刻的时间和速度，并规划质心轨迹和轮端轨迹，利用轮与腿的复合驱动，车轮提供较高的纵向速度，腿部关节提供垂向的跳跃动力，实现远距离跳跃，提升了轮腿式车辆的越障性能。另外，在面对不同障碍物时，仍能较快的规划合适的跳跃轨迹，来实现越障。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1为本专利技术实施例提供的一种轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法流程示意图；
[0023]图2为本专利技术实施例提供的一种轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法的控制原理示意图；
[0024]图3为本专利技术实施例提供的轮腿式车辆跳跃障碍的运动过程示意图；
[0025]图4为本专利技术实施例提供的根据轮腿式车辆构建虚拟弹簧阻尼模型的原理示意图；
[0026]图5为本专利技术实施例提供的质心与腿部关节角度的关系；
[0027]图6为本专利技术实施例提供的单腿运动学矢状面分析示意图；
[0028]图7为本专利技术实施例提供的逆动力学PD控制器控制原理示意图；
[0029]图8为本专利技术实施例提供的一种轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制系统结构示意图一；
[0030]图9为本专利技术实施例提供的一种轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制系统结构示意图
二。
具体实施方式
[0031]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0032]本专利技术的目的是提供一种轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法及系统，提高了轮腿式车辆跳跃障碍的高动态运动能力。
[0033]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0034]实施例1
[0035]如图1和图2所示，本实施例提供了一种轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法，该方法包括以下步骤。
[0036]步骤101：根据轮腿式车辆运动方向上障碍物的高度和长度，确定所述轮腿式车辆离地时刻质心的纵向速度和垂向速度。
[0037]质心为轮腿式车辆的质心。
[0038]步骤102：基于所述轮腿式车辆离地时刻质心的纵向速度和垂向速度，确定所述轮腿式车辆起跳阶段的质心垂向轨迹、腾空阶段的质心垂向轨迹、腾空阶段的轮端垂向轨迹和着地阶段的质心垂向轨迹。
[0039]步骤103：根据所述轮腿式车辆腿部的几何向量关系和腿部逆运动学，确定质心姿态与腿部关节角度的关系。
[0040]步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法，其特征在于，包括：根据轮腿式车辆运动方向上障碍物的高度和长度，确定所述轮腿式车辆离地时刻质心的纵向速度和垂向速度；基于所述轮腿式车辆离地时刻质心的纵向速度和垂向速度，确定所述轮腿式车辆起跳阶段的质心垂向轨迹、腾空阶段的质心垂向轨迹、腾空阶段的轮端垂向轨迹和着地阶段的质心垂向轨迹；根据所述轮腿式车辆腿部的几何向量关系和腿部逆运动学，确定质心姿态与腿部关节角度的关系；根据所述起跳阶段的质心垂向轨迹、所述腾空阶段的质心垂向轨迹、所述腾空阶段的轮端垂向轨迹、所述着地阶段的质心垂向轨迹、以及质心姿态与腿部关节角度的关系确定腿部的期望关节角度；根据关节编码器反馈的实际关节角度、实际关节角速度、以及期望关节角度、期望关节角速度和期望角加速度输出关节的控制力矩信号；所述期望关节角速度和所述期望角加速度根据所述期望关节角度微分确定；根据起跳阶段初始时刻质心的纵向速度确定所述起跳阶段、所述腾空阶段和所述着地阶段的期望车轮转速，根据所述期望车轮转速确定车轮的控制力矩信号。2.根据权利要求1所述的轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法，其特征在于，确定所述轮腿式车辆起跳阶段的质心垂向轨迹，具体包括：以起跳阶段的初始时刻的质心状态和离地时刻的期望质心状态为约束条件，采用五次多项式方法规划所述起跳阶段的质心垂向轨迹；所述质心状态和所述期望质心状态均包括质心位置、垂向速度和垂向加速度。3.根据权利要求1所述的轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法，其特征在于，确定腾空阶段的质心垂向轨迹，具体包括：基于离地时刻质心的垂向速度和理想斜抛运动学模型确定腾空阶段的质心垂向轨迹。4.根据权利要求1所述的轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法，其特征在于，确定腾空阶段的轮端垂向轨迹，具体包括：基于预设高度余量，采用复合摆线规划方法确定腾空阶段的轮端垂向轨迹。5.根据权利要求1所述的轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法，其特征在于，确定着地阶段的质心垂向轨迹，具体包括：基于所述轮腿式车辆的虚拟弹簧阻尼模型确定轮腿式车辆的质心动力学方程，并根据质心动力学方程确定着地阶段的质心垂向轨迹。6.根据权利要求1所述的轮腿式车辆跳跃障碍的运动控制方法，其特征在于，根据轮腿式车辆运动方向上障碍物的高度和长度，确定所述轮腿式车辆离地时刻质心的纵向速度和垂向速度，具体包括：根据公式计算所述轮腿式车辆离地时刻质心的纵向速度...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢景硕，韩立金，刘辉，商庆一，郝伟赫，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：