[发明专利]一种组合分离式旋翼与足式移动操作机器人集中-分布式控制方法

说明书

本发明公开一种组合分离式旋翼与足式移动操作机器人集中‑分布式控制方法，面向独立作业任务，针对多旋翼飞行操作机器人，设计整体自适应控制器，来处理未知物体的抓取问题。针对多足移动操作机器人，采用分层控制来设计机器人的控制器。面向协同作业任务，在上述各部分独立控制器的基础上，在控制器顶层设计分布式控制器，通过多协调变量的分布式控制，对参数进行协调控制，利用邻居信息，避免二者间的干涉碰撞，实现空地协同作业任务。面向组合体作业任务，设计集中式控制器，利用整体信息，对组合体机器人进行控制，实现组合体机器人飞行、爬行、飞爬过程中的作业任务。

技术领域

本发明涉及旋翼机器人与足式移动操作机器人，通过设计集中-分布式控制器来控制完成旋翼机器人与足式机器人的组合分离任务，与移动作业任务，适用于组合分离式旋翼与足式移动操作机器人作业场景。

背景技术

随着我国城市化的快速发展，北京等城市的规模和人口密度不断增大，城市安保问题日益严峻。同时，我国边境环境复杂，通行条件恶劣。因而，在军事作战、边境巡逻警戒、城市安保防暴、灾难救援、特殊危险环境作业、野外环境监测方面，亟需空地大范围机动、环境适应能力强、跨域作业的多功能移动操作机器人。

多旋翼飞行器由于具有结构简单、功能性强、易于实现等一系列特点，近10年来得到了持续的关注和飞速的发展。使用多旋翼飞行器进行空中操作，需要将无人机和操作装置进行组合。这种结合方式，能够综合两者的优点，具有许多优势，将无人机从“被动”观察环境，拓展到了“主动”与环境进行交互的领域。但当前的空中飞行操作机器人大都停留在实验室阶段，操作性能相对受限，实现长期、反复的飞行操作亟待进一步的研究。

多足移动机器人具有良好的地形适应性，可以在不平整地面上进行快速运动，一直以来是机器人领域的重要研究方向。多足移动操作机器人将足式机器人与操作臂相结合，除了具有多足步行机器人的良好地形适应性外，还具备灵活的操作功能。但目前的移动操作机器人结构相对简单，移动性能一般，同时操作性能欠佳，仅能适应特定移动场合完成简单操作任务。

近年来，随着地面移动机器人和空中飞行机器人的迅速发展，地面移动机器人和空中飞行机器人的协同运动控制得到了广泛的关注，实现陆-空协同任务作业控制是当前研究的热点。但当前的空地协同主要体现在信息的交互，实现协同地图构建、合作作业亟待进一步的研究，现有的空地协同机器人也无法实现组合分离。

发明内容

针对上述问题，本发明在现有的空地协同平台(由系统独立的“空中无人机”+“地面机器人”组成，基于信息共享，统筹决策，协同作业)的基础上，提出一种组合分离式旋翼与足式移动操作机器人集中-分布式控制方法，可以实现组合分离、移动作业，通过组合分离式旋翼与足式移动操作机器人空地协同作业能够充分发挥分离体与组合体机器人的效能，满足复杂环境多功能的任务需求。

本发明组合分离式旋翼与足式移动操作机器人集中-分布式控制方法，空地协同平台可为组合分离式旋翼与足式移动操作机器人；组合分离式旋翼与足式移动操作机器人，与地面站间实时进行数据交互；且由地面站进行控制。组合分离式旋翼与足式移动操作机器人，采用多旋翼飞行操作机器人自适应控制器与多足移动操作机器人控制器。

面向独立作业任务，针对多旋翼飞行操作机器人，考虑系统的内部耦合关系，运用微分流形的相关理论，在SO(3)上对旋翼无人机和操作臂进行整体建模，并考虑飞行作业过程和组合分离过程中的碰撞、冲击和载荷突变，运用李雅普诺夫稳定性的相关理论，设计多旋翼飞行操作机器人自适应控制器，来处理未知物体的抓取问题。针对多足移动操作机器人，采用分层控制来设计多足移动操作机器人控制器。