[发明专利]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。

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：/n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；/n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；/n该飞行机器人跨维度运动的方法具体包括：/n(1)飞行机器人的空中飞行控制方法：/n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；/n(2)飞行机器人的墙面爬行控制方法：/n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；/n(3)飞行机器人的地面行驶方法：/n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；/n(4)飞行机器人从空中飞上墙面的方法：/n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；/n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；/n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；/n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；/n(5)飞行机器人从墙面起飞的方法：/n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；/n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；/n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；/n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；/n(6)飞行机器人从地面爬上墙面的方法：/n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；/n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；/n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，/n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；/n(7)飞行机器人从墙面返回地面的方法：/n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；/n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；/n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；/n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。/n