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原文传递单涵道陆空跨域机器人及其控制方法

专利名称：	单涵道陆空跨域机器人及其控制方法
摘要：	本发明一种单涵道陆空跨域机器人及其控制方法，属于两栖机器人技术领域，本发明提供的单涵道陆空跨域机器人通过设置姿态平衡系统的控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，进而通过扭矩控制量对机身进行姿态调整；通过两个轮足舵机控制轮足装置的腿部连杆和上腿关节，提升了轮足系统的灵活性和稳定性；根据环境识别系统对行进环境的判断，对轮足系统、涵道风扇系统以及飞行控制系统进行相应调整，使得机器人进入不同的行进模式，从而实现陆空跨域的快速切换的技术效果。
专利类型：	发明专利
申请人：	长春理工大学
发明人：	刘亮;吕琼莹;薛珊
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T12:00:00+0805
申请号：	CN201911392068.8
公开号：	CN111137082A
代理机构：	北京鸿元知识产权代理有限公司
代理人：	王守梅;袁文婷
分类号：	B60F5/02;B62D57/02;B64C11/00;B64C19/02;B64C39/02;B;B60;B62;B64;B60F;B62D;B64C;B60F5;B62D57;B64C11;B64C19;B64C39;B60F5/02;B62D57/02;B64C11/00;B64C19/02;B64C39/02
申请人地址：	130022 吉林省长春市朝阳区卫星路7089号
主权项：	1.一种单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，包括机体、设置在所述机体中心的涵道风扇系统、环境识别系统、飞行控制系统、姿态平衡系统、动力系统以及设置在所述机体下方的轮足系统；其中，所述轮足系统包括至少两个轮足装置，每个轮足装置均包括用于驱动所述轮足装置旋转的轮足舵机一以及用于驱动所述轮足装置行进的轮足舵机二；所述飞行控制系统包括电子调速器、飞控舵机、控制所述电子调速器和所述飞控舵机的飞行控制板以及通过所述飞控舵机控制的副翼；所述副翼设置在所述涵道风扇系统出风口位置的正下方；其中，气流被所述涵道风扇系统吸入后，流经所述副翼表面并产生压差，从而实现所述飞行控制系统对所述涵道风扇系统的姿态进行调整；所述姿态平衡系统包括控制力矩陀螺群，所述控制力矩陀螺群为金字塔构型的四个控制力矩陀螺，通过所述控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，通过所述扭矩控制量对所述机身进行姿态调整；所述动力系统，用于为所述涵道风扇系统、所述环境识别系统、所述姿态平衡系统、所述飞行控制系统和所述轮足系统提供动力。 2.根据权利要求1所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，所述轮足装置还包括胶轮、轮足驱动电机、电机固定板、下腿关节、深沟球轴承、腿部连杆和上腿关节，其中，所述胶轮与所述轮足驱动电机的输出端相连接，所述轮足驱动电机通过所述电机固定板固定在所述下腿关节上，所述下腿关节上端连接所述腿部连杆，所述腿部连杆与所述轮足舵机二的输出轴通过曲柄相连接，所述下腿关节上设置有所述深沟球轴承，所述上腿关节的上端连接所述轮足舵机一的输出轴，所述上腿关节的下端连接所述深沟球轴承，且所述上腿关节罩设在所述腿部连杆的外侧。 3.根据权利要求1所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，获得所述X轴的扭矩控制量的表达式如下：其中， τx，τy，τz分别为X、Y、Z三个轴方向上的扭矩，为动量矩矢量对时间的求导，H为初始的角动量，β为控制力矩陀螺安装角，sβ表示sinβ，cβ表示cosβ，δ为X轴正半轴上第一个控制力矩陀螺的转角。 4.根据权利要求1所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，机体包括上盖、外壳体和设置在所述外壳体内部的短框架，所述上盖内设置有环境识别系统，所述涵道风扇系统与所述外壳体通过所述短框架相连接。 5.根据权利要求1所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，所述涵道风扇系统包括风扇外壳、单涵道风扇和风扇驱动装置；所述单涵道风扇包括叶唇、扇叶和顶尖，所述单涵道风扇的入风口设置有可拆卸的叶唇，所述扇叶为可分瓣式轴流风扇扇叶并通过所述顶尖固定，进一步的，所述涵道风扇的出风口处设置有反螺旋固定叶片。 6.根据权利要求1或5所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，所述飞行控制系统中所述副翼为四组，其中，每组副翼包括通过连接板并联的3个翼型，所述翼型的支撑截面形状为NACA0018；其中，所述四组副翼分别通过飞控舵机一、飞控舵机二、飞控舵机三以及飞控舵机四控制。 7.根据权利要求2或6所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，所述轮足驱动电机夹固在两个电机固定板中间。 8.根据权利要求7所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，所述轮足驱动电机的输出轴连接的胶轮数量为两个。 9.单涵道陆空跨域机器人的控制方法，其特征在于，所述方法利用上述权利要求1-8中任一项所述的单涵道陆空跨域机器人实现，方法包括：通过环境识别系统对行进环境进行判定，根据判定的情况启动相应的行进模式；并通过姿态平衡系统的控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，通过所述扭矩控制量对机身进行姿态调整；通过轮足系统控制轮足舵机一以及轮足舵机二，进而调整轮足装置的状态；通过飞行控制系统中的飞控舵机控制副翼，进而调整涵道风扇系统的姿态；其中，当判定出现高低不平的路段时，调整所述轮足装置变形至最高尺寸以顺利通过高低不平的路段；当判定回归平坦路段时，调整轮足装置回归正常行进状态；当判定出现无法移动越过的障碍时，启动飞行模式飞过障碍，并调整轮足装置收缩至最小尺寸，以减少飞行阻力；当判定到达设定着陆地点后，降低涵道风扇系统转速，并使轮足装置回归正常行进状态准备着陆。 10.根据权利要求9所述的单涵道陆空跨域机器人的控制方法，其特征在于，获得所述Z轴的扭矩控制量的表达式如下：其中， τx，τy，τz分别为X、Y、Z三个轴方向上的扭矩，为动量矩矢量对时间的求导，H为初始的角动量，β为控制力矩陀螺安装角，sβ表示sinβ，cβ表示cosβ，δ为X轴正半轴上第一个控制力矩陀螺的转角。
所属类别：	发明专利