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原文传递一种飞行机器人跨维度运动的方法

专利名称：	一种飞行机器人跨维度运动的方法
摘要：	本发明是一种飞行机器人跨维度运动的方法，能实现飞行机器人在地面、空中、墙面不同维度环境下运动；所述飞行机器人的机身上装有车轮和矢量旋翼；车轮通过一根轴与机体相连，车轮绕轴转动；飞行机器人的机身上还装有矢量旋翼机臂、旋翼齿轮、传动齿轮及舵机；矢量旋翼机臂与旋翼齿轮连接为一个整体，传动齿轮与旋翼齿轮紧密配合，传动齿轮套在舵机的输出轴上；该方法具体包括：飞行机器人的空中飞行控制方法，飞行机器人的墙面爬行控制方法，飞行机器人的地面行驶控制方法，飞行机器人从空中飞上墙面的方法，飞行机器人从墙面起飞的方法，飞行机器人从地面爬上墙面的方法及飞行机器人从墙面返回地面的方法。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	潘佳义
发明人：	潘佳义
专利状态：	有效
申请日期：	2019-10-08T00:00:00+0800
发布日期：	2019-12-27T00:00:00+0800
申请号：	CN201910948675.1
公开号：	CN110614891A
代理机构：	北京慧泉知识产权代理有限公司
代理人：	王顺荣;唐爱华
分类号：	B60F5/02(2006.01);B;B60;B60F;B60F5
申请人地址：	100191 北京市海淀区学院路37号北京航空航天大学
主权项：	1.一种飞行机器人跨维度运动的方法，能实现飞行机器人在地面、空中、墙面不同维度环境下运动；其特征在于：所述飞行机器人的机身上装有右前车轮、左前车轮、左后车轮、右后车轮，还包括两个矢量旋翼；其中，位于右前车轮、左前车轮之间的矢量旋翼为前矢量旋翼，位于左后车轮、右后车轮之间的矢量旋翼为后矢量旋翼；右前车轮、左前车轮、左后车轮、右后车轮都直接通过一根轴与机体相连，车轮绕轴转动；同时，飞行机器人的机身上还装有矢量旋翼机臂、旋翼齿轮、传动齿轮及舵机；矢量旋翼机臂与旋翼齿轮连接为一个整体，传动齿轮与旋翼齿轮紧密配合，将舵机的转动力矩传动给两个矢量旋翼；传动齿轮套在舵机的输出轴上；因此，两个矢量旋翼可以在舵机带动下，绕轴线转动；该飞行机器人跨维度运动的方法具体包括： (1)飞行机器人的空中飞行控制方法：飞行机器人的空中飞行控制方法分为高度控制和姿态控制；对于高度控制，通过设定目标高度，采用基于串级PID调节的闭环反馈控制算法，即串级PID算法，实现飞行机器人的高度控制；对于姿态控制，通过设定目标姿态角，采用串级PID算法，实现飞行机器人的空中姿态控制； (2)飞行机器人的墙面爬行控制方法：飞行机器人的墙面爬行控制方案分为高度控制和姿态控制；对于高度控制，矢量推力可分解为竖直方向的分力和水平方向的分力；其中，竖直方向的分力的大小通过串级PID算法实时解算，竖直方向的分力的作用是控制机器人在墙面爬行的高度，水平方向的分力的作用是提供固定的压力，从而使机体在压力作用下，贴附于墙面；由这两个分力可以计算出矢量推力的方向和大小，进而控制矢量旋翼的旋转角度和输出推力的大小；由于本发明所述的飞行机器人墙面附着方法是机体的背部贴附于墙面，所以机体贴附在墙面后，头部向下，尾部向上；墙面爬行是一种二维运动，所以机器人的姿态仅用一个旋转角就可以表示，通过设定目标姿态(即旋转角)，前矢量旋翼、后矢量旋翼在串级PID算法的控制下自动调节左右两组电机的差速，实现机器人在墙面的姿态控制，即左右电机转速相同时机器人保持竖直姿态，左侧电机推力大于右侧电机推力时机器人姿态向右倾斜从而在墙面向右运动，左侧电机推力小于右侧电机推力时机器人姿态向左倾斜从而在墙面向左运动； (3)飞行机器人的地面行驶方法：与空中飞行和墙面爬行不同，飞行机器人在地面行驶时不需要控制高度，而是通过控制矢量旋翼旋转角度和矢量旋翼的推力输出控制机器人的前进和后退； (4)飞行机器人从空中飞上墙面的方法：飞行机器人从空中飞上墙面的方法可以实现飞行机器人从空中飞行的状态转换为垂直贴附于墙面的墙面爬行状态；该方法包括三个阶段，称为阶段一、阶段二、阶段三；阶段一：飞行机器人在飞行状态下用右前车轮、左前车轮触碰到墙面；机体平面与地平面的夹角为俯仰角；阶段二：飞行机器人检测到右前车轮、左前车轮触碰墙面后自动切换为墙面附着状态；在该状态下，前矢量旋翼、后矢量旋翼提供矢量推力，使飞行机器人在空中悬停的同时，右前车轮、左前车轮抵住墙面，机身绕右前车轮、左前车轮轴线向前倾转，从而使飞行机器人整体贴附在墙面上；为了保证飞行机器人从空中翻转至墙面的过程中一直悬停在原位置，前矢量旋翼、后矢量旋翼螺旋桨平面需要始终保持与地平面平行；阶段三：飞行机器人检测到机体贴附于墙面后，自动切换为墙面爬行状态；此时飞行机器人的背部贴附于墙面，所以飞行机器人附着在墙面后，头部向下，尾部向上； (5)飞行机器人从墙面起飞的方法：飞行机器人从墙面起飞的方法可以实现飞行机器人从墙面爬行状态转换为空中飞行状态；转换过程分为三个阶段，称为阶段四、阶段五、阶段六；阶段四：飞行机器人在墙面爬行状态下由前、后矢量旋翼提供的矢量推力稳定在墙面上，此时飞行机器人右前车轮、左前车轮在下，左后车轮、右后车轮在上；前矢量旋翼、后矢量旋翼在舵机带动下改变矢量推力方向，矢量推力在竖直方向的分力抵消飞行机器人重力，使重心依然保持在原来位置，矢量推力在水平方向的分力提供飞行机器人的倾转力矩；这一阶段，倾转力矩的作用是提供一个短暂的加速度，让机体在短时间内拥有一个初始倾转角速度；阶段五：飞行机器人的前、后矢量旋翼调整矢量推力，使机体由竖直状态平稳翻转至水平状态；阶段六：飞行机器人检测到机体回到平飞姿态后，自动切换为空中飞行状态； (6)飞行机器人从地面爬上墙面的方法：飞行机器人从地面爬上墙面的方法可以实现飞行机器人从地面行驶的状态自动转换为垂直贴附于墙面的墙面爬行状态；该转换过程包括三个阶段，称为阶段七、阶段八、阶段九；阶段七：飞行机器人为地面行驶状态；在该状态下飞行机器人前矢量旋翼、后矢量旋翼产生的矢量推力推动飞行机器人行驶至墙边；飞行机器人用右前车轮、左前车轮触碰到墙面；阶段八：飞行机器人检测到右前车轮、左前车轮触碰墙面后切换为地面至墙面的过渡状态，在该状态下，前矢量旋翼和后矢量旋翼提供矢量推力，使飞行机器人的右前车轮、左前车轮抵住墙面，机身绕右前车轮、左前车轮轴线向前倾转，从而使飞行机器人整体贴附在墙面上，阶段九：飞行机器人检测到机体贴附于墙面后，自动切换为墙面爬行状态；在该状态下，飞行机器人的背部贴附于墙面，所以飞行机器人贴附在墙面后，头部向下，尾部向上； (7)飞行机器人从墙面返回地面的方法：飞行机器人从墙面返回地面的方法可以实现飞行机器人从墙面爬行状态转换为地面行驶状态；该转换过程分为三个阶段，称为阶段十、阶段十一、阶段十二；阶段十：飞行机器人在墙面爬行状态下由前、后矢量旋翼提供的矢量推力稳定在墙面上，此时右前车轮、左前车轮在下，左后车轮、右后车轮在上；飞行机器人首先返回至墙角，前矢量旋翼、后矢量旋翼在舵机带动下改变矢量推力方向，矢量推力在水平方向的分力提供飞行机器人的倾转力矩；这一阶段，倾转力矩的作用是提供一个角加速度，让机体在短时间内拥有一个初始倾转角速度；当机器人检测到倾转角度超过阈值后，自动切换至阶段十一；阶段十一：飞行机器人前、后矢量旋翼调整矢量推力，使机体由前倾姿态平稳翻转至水平姿态；阶段十二：飞行机器人检测到机体回到地面后，自动切换为地面行驶状态，并在前矢量旋翼、后矢量旋翼提供的矢量推力的作用下驶离墙面。 2.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于车轮是无动力的，车轮并不连接电机，飞行机器人运动的所有动力都来自前、后矢量旋翼产生的矢量推力；车轮的直径大于螺旋桨的直径，可以保护螺旋桨，防止螺旋桨刮蹭到墙面。 3.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：不必一定使用圆形车轮，也可以使用牛眼万向轮，或者将车轮改为支架等。 4.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：阶段三、阶段九都为机器人墙面爬行阶段，它们的控制方法是一致的；机器人墙面爬行的控制方法分为高度控制和姿态控制；对于高度控制，矢量推力可分解为竖直方向的分力和水平方向的分力；其中，竖直方向的分力的大小通过串级PID算法实时解算，竖直方向的分力的作用是控制机器人在墙面爬行的高度，水平方向的分力的作用是提供固定的压力，从而使机体在压力作用下，贴附于墙面；由这两个分力可以计算出矢量推力的方向和大小，进而控制矢量旋翼的旋转角度和输出推力的大小；由于本发明所述的飞行机器人墙面附着方法是机体的背部贴附于墙面，所以机体贴附在墙面后，头部向下，尾部向上；墙面爬行是一种二维运动，所以机器人的姿态仅用一个旋转角就可以表示，通过设定目标姿态(即旋转角)，前矢量旋翼、后矢量旋翼在串级PID算法的控制下自动调节左右两组电机的差速，实现机器人在墙面的姿态控制，即左右电机转速相同时机器人保持竖直姿态，左侧电机推力大于右侧电机推力时机器人姿态向右倾斜从而在墙面向右运动，左侧电机推力小于右侧电机推力时机器人姿态向左倾斜从而在墙面向左运动。 5.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：阶段四中设定一个倾角阈值，由于机体在该阶段是前倾姿态所以俯仰角是负值，该阈值也是负值，假设墙面垂直于地面，则飞行机器人在该阶段的姿态由竖直转为水平；飞行机器人在俯仰角达到阈值之前执行阶段四，在俯仰角达到阈值后，飞行机器人恰好达到了一个合适的初始倾转角速度，此时程序自动切换到阶段五。 6.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：阶段十中，前矢量旋翼、后矢量旋翼输出的推力在水平方向的分力大小相同，方向相反，其中，前矢量旋翼产生的矢量推力在水平方向的分力指向墙面，后矢量旋翼产生的矢量推力在水平方向的分力指向墙外，这两个矢量推力在水平方向的分力提供飞行机器人的倾转力矩；设定一个倾角阈值，由于机体是前倾姿态所以俯仰角是负值，该阈值也是负值，假设墙面垂直于地面，则飞行机器人在该阶段的姿态由竖直转为水平；飞行机器人在俯仰角达到阈值之前执行阶段十，在俯仰角达到阈值后，飞行机器人恰好达到了一个合适的初始倾转角速度，此时程序自动切换到阶段十一。 7.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：所述的串级PID算法的每一级PID控制器的时域公式为：其中，KP、KI、KD为需要设定的参数，KP为比例系数、KI为积分系数、KD为为微分系数；e(t)、e(τ)为PID控制器的输入量，即目标值与测量值的差值；F(t)为PID控制器的输出值；每一级PID控制器的输入量都是目标值与测量值的差；上一级PID控制器的输出值就是下一级PID控制器的目标值，最后一级PID控制器的输出值就是电机的控制量，电机控制量换算为脉宽调制信号PWM的占空比的值；电机的驱动电路就是由脉宽调制信号控制的，最终的结果就是大的电机控制量对应于大的占空比，大的占空比对应于大的电机转速。 8.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：实施例选用八个电机，并且每两个相邻电机转向相反，因此需要通过多个串级PID算法同时运行，才能解算出所有电机的控制量；同时运行的串级PID算法有四个，一个负责位置控制，三个负责姿态控制；飞行机器人位置控制的串级PID算法用于控制高度，解算出的是所有电机控制量的平均值；三个姿态量包括飞行机器人的俯仰、滚转和偏航，用于俯仰控制的串级PID算法解算出的是前矢量旋翼四个电机与后矢量旋翼四个电机的控制量的差值，用于滚转控制的串级PID算法解算出的是机身左侧的四个电机与机身右侧的四个电机的控制量的差值，用于偏航控制的串级PID算法解算出的是顺时针旋转的四个电机与逆时针旋转的四个电机的控制量的差值；依靠这四个同时运行的串级PID算法，就可以实现对所有电机转速的实时自动控制。 9.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：飞行机器人的操控选用遥控器、手机APP等，下面统称为遥控设备；飞行机器人在地面爬行的控制方法中，控制者利用遥控设备设定飞行机器人的目标加速度；该加速度信号会实时发送给飞行机器人，从而控制旋翼方向和螺旋桨转速，进而控制飞行机器人的前进和后退；飞行机器人在墙面爬行的控制方法中，利用遥控设备设定飞行机器人的目标高度，随后飞行机器人通过串级PID算法自动控制旋翼推力，使机体稳定在目标高度上，就能实现飞行机器人在墙面的垂直攀爬；遥控设备还能设定飞行机器人的目标姿态，随后飞行机器人通过串级PID算法自动控制旋翼推力，使机体稳定在目标姿态上，机体向左倾飞行机器人会向左移动，机体向右倾飞行机器人会向右移动；飞行机器人在空中飞行的控制方法中，利用遥控设备设定飞行机器人目标高度和目标姿态；随后飞行机器人通过串级PID算法自动控制电机推力输出，使机体稳定在目标高度和目标姿态上。 10.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：飞行机器人操控过程中模式切换的控制方法；模式切换只需要遥控设备输出一个模式切换信号，飞行机器人就会自动改变运动模态；在空中飞行模式下，操控者用遥控设备输出上墙信号，接下来需要操控者遥控飞行机器人抵近墙面，在右前车轮和左前车轮触碰到墙面的瞬间，飞行机器人会自动检测到触碰，从而自动执行阶段一至阶段三所述的控制算法，最终飞行机器人会自动完成空中至墙面的过渡；当飞行机器人处于墙面爬行状态时，控制者用遥控设备输出墙面起飞信号，飞行机器人将自动执行阶段四至阶段六所述的控制算法，最终飞行机器人会自动从墙面起飞回到空中飞行模式；在地面行驶模式下，操控者用遥控设备输出上墙信号，接下来需要操控者遥控飞行机器人抵近墙面，在右前车轮和左前车轮触碰到墙面的瞬间，飞行机器人会检测到触碰，从而自动执行阶段七至阶段九所述的控制算法，最终飞行机器人会自动完成地面至墙面的过渡；当飞行机器人处于墙面爬行状态时，控制者先遥控飞行机器人爬行至墙角，随后用遥控设备执行输出返回地面信号，飞行机器人将自动执行阶段十至阶段十二所述的控制算法，最终飞行机器人会自动从墙面回到地面，即从墙面爬行状态回到地面行驶状态。
所属类别：	发明专利