本發(fā)明涉及一種兩棲飛行器及其控制方法，特別涉及一種三旋翼式陸空兩棲機器人及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著飛行器技術(shù)的迅速發(fā)展，飛行器在物流、農(nóng)業(yè)、勘探等多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，現(xiàn)有多旋翼飛行器的應(yīng)用在實際操作中依然存在諸多技術(shù)問題，尤其是在地面運動和過渡飛行階段的穩(wěn)定性、能效和復雜環(huán)境適應(yīng)能力方面?，F(xiàn)有的飛行器多存在以下技術(shù)問題：

2、1)飛行器在復雜地形中的穩(wěn)定性不足：現(xiàn)有多旋翼飛行器在進行復雜地形飛行時(如城市建筑物密集區(qū)、山區(qū)、樹林等)經(jīng)常遇到失速、漂移等問題，導致飛行軌跡不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)控制困難。2)飛行器對環(huán)境適應(yīng)能力的不足：現(xiàn)有多旋翼飛行器在不同的環(huán)境下，尤其是在極端天氣條件下(如強風、大雨等)表現(xiàn)不佳，飛行穩(wěn)定性差，容易受外部環(huán)境影響。3)飛行器能量利用效率低：多旋翼無人機的飛行方式要求旋翼持續(xù)工作，以保持穩(wěn)定和控制方向，這使得它的能量利用率低于固定翼飛行器。在執(zhí)行低空懸停、緩慢移動或精確定位任務(wù)時，能量消耗更大。依賴強勁電機進行飛行，導致電池快速消耗，影響實際應(yīng)用場景的可行性。4)飛行器在著陸后的靈活性差：現(xiàn)有的多旋翼兩棲飛行器在著陸后，尤其是在沒有平坦著陸點的情況下，通常無法有效調(diào)整自己的姿態(tài)。在無平坦地面時，飛行器可能需要依靠降落傘、降速裝置或被動降落的方式，往往浪費了時間，降低了飛行器的整體效率。5)飛行器控制系統(tǒng)的復雜性：現(xiàn)有的多旋翼兩棲飛行器通常需要復雜的控制系統(tǒng)來實時調(diào)整飛行器的姿態(tài)、速度和穩(wěn)定性。尤其是在多任務(wù)環(huán)境中，飛行器需要頻繁在高空飛行與低空滑行之間進行切換，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)常常無法實現(xiàn)平滑過渡，導致飛行器的控制難度加大。6)飛行器結(jié)構(gòu)的限制：目前市場上多為四旋翼飛行器構(gòu)型，空間利用率低，尺寸較大；四旋翼飛行器通常需要較大的對角尺寸以確保旋翼的穩(wěn)定運行，影響其在狹小空間內(nèi)的操作能力；結(jié)構(gòu)較為對稱，難以優(yōu)化為更緊湊的形態(tài)，限制了其在室內(nèi)、狹窄空間或管道內(nèi)的應(yīng)用。

3、為解決上述多旋翼飛行器出現(xiàn)的問題，市場上設(shè)計了許多不同種類的陸空兩棲機器人。傳統(tǒng)的兩棲機器人從飛行模式切換到地面模式時往往面臨能效低、響應(yīng)遲緩等問題，但其在地面上使用較少的能量進行滑行，可以抵消過渡飛行中的能量消耗，提升飛行器的續(xù)航能力。在低空飛行或地面任務(wù)中，兩棲機器人可以選擇適當?shù)哪Ｊ竭M行滑行，穿越復雜障礙，節(jié)省能源并降低能效損耗。

4、現(xiàn)有的技術(shù)方案多集中在兩棲飛行器或輪式驅(qū)動系統(tǒng)與飛行技術(shù)的結(jié)合上，具體包括：1)四輪底盤的陸空兩棲機器人，在現(xiàn)有的兩棲機器人中，采用四輪底盤的設(shè)計較為常見。這些兩棲機器人通過四個輪子在地面上進行移動，利用旋翼進行飛行。四輪底盤起到了支撐和穩(wěn)定飛行器的作用，但其局限性也非常明顯。首先，四輪設(shè)計的轉(zhuǎn)彎半徑較大，靈活性差；其次，四輪的設(shè)計需要較大的占地面積和結(jié)構(gòu)復雜性，增加了機器人的重量和體積。這類機器人的控制系統(tǒng)較為復雜，且在狹窄的環(huán)境中不如單輪或其他地面滑行方式那樣機動靈活。

5、混合型空地兩用概念飛行器drivocopter采用了多旋翼與輪式底盤相結(jié)合的設(shè)計，但它們的輪子更多用于穩(wěn)定飛行器，而非輔助滑行降落。這種設(shè)計雖然提升了機器人的地面機動性，但仍無法實現(xiàn)與空中飛行模式之間的平滑過渡，需要適合的地面或空中起降條件，限制了其在復雜情境中的使用。

6、2)旋翼與地面輪子的結(jié)合，另一類現(xiàn)有的技術(shù)方案是旋翼與地面輪子結(jié)合的設(shè)計。這類兩棲機器人在飛行模式下通過旋翼產(chǎn)生升力，而在地面模式下則使用輪子進行滑行。一種新型的混合陸空四旋翼機器人(roller-quadroto)結(jié)合了空中飛行器的機動性和地面車輛的續(xù)航能力，通過采用獨輪驅(qū)動系統(tǒng)和旋翼輔助轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)了在地面與空中之間的切換。但該設(shè)計地面和空中模式的切換過程較為復雜，且體積較大，穩(wěn)定性較差。

7、現(xiàn)有陸空兩棲機器人有以下缺點：1)陸空兩棲機器人續(xù)航能力差：現(xiàn)有的陸空兩棲機器人在空中飛行時展現(xiàn)了較高的機動性和靈活性，但現(xiàn)有陸空兩棲機器人的飛行方式要求多個旋翼持續(xù)工作，以保持穩(wěn)定和控制方向，這使得它的能量利用率低于固定翼飛行器。在執(zhí)行低空懸停、緩慢移動或精確定位任務(wù)時，機器人的能量消耗更大。

8、2)陸空兩棲機器人在復雜地形中的穩(wěn)定性差：在復雜地形中，陸空兩棲機器人的穩(wěn)定性和控制難度會大幅增加。尤其是當機器人處于低空飛行狀態(tài)，遇到風速變化或地面起伏時，現(xiàn)有機器人容易發(fā)生失速、漂移等不穩(wěn)定現(xiàn)象，導致控制困難。高樓大廈密集的城市環(huán)境、復雜的山區(qū)以及風力較大的開闊地帶，都是機器人難以適應(yīng)的復雜地形。在這些環(huán)境下，機器人不僅需要依靠高效的控制系統(tǒng)，還需要具備一定的地面適應(yīng)能力，以保證任務(wù)能夠順利完成。

9、3)陸空兩棲機器人在飛行與地面模式切換時效率低：目前的陸空兩棲機器人通常依賴飛行模式和地面模式之間的切換來適應(yīng)不同的任務(wù)需求。在傳統(tǒng)陸空兩棲機器人中，飛行模式與地面模式的過渡往往需要復雜的過程，導致能效低、效率差。例如，從飛行模式切換到地面滑行模式時，機器人需要先減少飛行高度、減速，并進行一系列調(diào)整操作。這一過程不僅消耗大量電能，而且常常導致任務(wù)延誤，增加了任務(wù)的執(zhí)行時間。在某些情況下，機器人可能無法高效地完成從飛行到地面滑行的轉(zhuǎn)換，影響整體作業(yè)效率。

10、4)成本高且結(jié)構(gòu)復雜：現(xiàn)有的陸空兩棲機器人多采用四輪底盤或其他復雜結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的復雜性較高，導致了較高的制造和維護成本。尤其是在需要多輪支持的設(shè)計中，輪子與旋翼之間的動力耦合需要復雜的控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)。這不僅增加了機器人的硬件成本，還增加了操作和維護的難度。此外，現(xiàn)有的設(shè)計常常需要多個部件進行組合，增加了整體結(jié)構(gòu)的重量和體積，影響了機器人的性能和穩(wěn)定性。

11、5)無法適應(yīng)狹窄空間或極端環(huán)境：采用四輪或多輪設(shè)計的機器人，其較大的體積和轉(zhuǎn)彎半徑使其無法適應(yīng)狹窄的空間，特別是在一些需要在室內(nèi)或擁擠環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)時。這類機器人由于結(jié)構(gòu)笨重，往往無法在城市街道、建筑物之間或其他密集的空間中靈活穿行。這使得現(xiàn)有技術(shù)的機器人在一些特定任務(wù)中，如建筑物內(nèi)部巡視、災(zāi)區(qū)搜救等，無法有效完成任務(wù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種三旋翼式陸空兩棲機器人及其控制方法，由y型三軸旋翼機搭載被動滾輪構(gòu)成，三軸旋翼機的y型布局相對緊湊，可以降低旋翼間氣流相互干擾的程度，提高飛行器的穩(wěn)定性和飛行性能，通過調(diào)節(jié)每個旋翼電機的轉(zhuǎn)速進而改變升力和力矩，實現(xiàn)同時具備飛行能力和地面運動能力的兩棲運動方式。

2、本發(fā)明的目的一方面是這樣實現(xiàn)的：一種三旋翼式陸空兩棲機器人，其特征在于，包括機身外殼和機身本體，所述機身外殼與機身本體通過固定件連接；所述機身本體包括底部安裝板、三軸旋翼和被動滾輪；所述三軸旋翼呈y型均勻分布在底部安裝板上；所述三軸旋翼包括頂部旋翼和尾部左右兩側(cè)旋翼，所述頂部旋翼通過旋轉(zhuǎn)桿與底部安裝板上的旋翼旋轉(zhuǎn)舵機相連接；所述尾部左右兩側(cè)旋翼通過對應(yīng)的旋翼電機安裝在底部安裝板上；所述被動滾輪安裝在底部安裝板的中心位置，所述被動滾輪通過卡簧固定在底部安裝板的輪軸上；所述底部安裝板的三個頂角處通過鉸鏈安裝有支撐板。

3、進一步的，所述底部安裝板的底部設(shè)置有電池安裝處，所述電池安裝處位于尾部左右兩側(cè)旋翼之間。

4、進一步的，所述底部安裝板的上方設(shè)置有尾翼左右兩側(cè)旋翼的電調(diào)，所述底部安裝板的底部設(shè)置有頂部旋翼的電調(diào)。

5、進一步的，所述被動滾輪上安裝有光電編碼器。

6、進一步的，所述底部安裝板、機身外殼、旋轉(zhuǎn)桿和支撐板采用碳纖維復合材料，所述輪軸采用鋁合金材料。

7、本發(fā)明的目的另一方面是這樣實現(xiàn)的：一種三旋翼式陸空兩棲機器人的控制方法，包括以下步驟：

8、1)建立飛行狀態(tài)和地面運動狀態(tài)下兩種情況的動力學模型，通過控制兩棲機器人的飛行高度進行模式轉(zhuǎn)換；

9、2)在飛行狀態(tài)下，使用串級pid控制法，采用內(nèi)外環(huán)兩層pid相結(jié)合的方法來控制兩棲機器人輸出，內(nèi)環(huán)控制三軸力矩和z軸拉力增量，外環(huán)控制期望角度和高度，保證機身姿態(tài)以及運動狀態(tài)的穩(wěn)定；

10、3)在地面運動狀態(tài)下，設(shè)計姿態(tài)控制器，通過改變?nèi)齻€旋翼的轉(zhuǎn)速，從而改變旋翼產(chǎn)生的升力的大小和方向，進而改變機身對被動滾輪推力方向，實現(xiàn)兩棲機器人在地面的運動；

11、4)在地面運動狀態(tài)下，設(shè)計速度控制器，通過控制被動滾輪的轉(zhuǎn)角來實現(xiàn)對兩棲機器人地面模式下的速度控制。

12、進一步的，所述步驟1)具體包括：飛行狀態(tài)下，建立地球坐標系和機體坐標系利用牛頓歐拉方法建立動力學模型，得到如下動力學方程：

13、

14、其中，為飛行時各方向的線加速度，m為機器人的質(zhì)量，g為重力加速度，jx,jy,jz為機體的轉(zhuǎn)動慣量，φ,θ,ψ分別為飛行狀態(tài)下機體的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角，μ為尾部旋翼的傾轉(zhuǎn)角度；u1,u2,u3,u4的表達式如下：

15、

16、其中，l1,l3分別為一號旋翼和三號旋翼到重心的距離，ωi(i＝1,2,3)為第i個旋翼的轉(zhuǎn)速，kt為單槳綜合拉力系數(shù)，kq為單槳綜合力矩系數(shù)；

17、在地面運動狀態(tài)下，建立地球坐標系和位于質(zhì)心的動坐標系，利用凱恩方法建立滾輪動力學模型，得到如下的動力方程：

18、

19、其中，r為被動滾輪的半徑，ja和jc分別為沿滾輪徑向和沿p軸方向的轉(zhuǎn)動慣量，分別為地面運動狀態(tài)下機體的橫滾角、偏航角和滾輪轉(zhuǎn)角，t為作用在滾輪軸上的沿機體n軸方向的力矩，fx為滾輪軸對滾輪沿機體n軸方向的力的分量，令β1為機架的俯仰角，t和fx的表達式如下：

20、

21、通過改變旋翼產(chǎn)生的升力控制飛行高度實現(xiàn)飛行模式和地面運動模式的相互轉(zhuǎn)換，令重心高度為zc，滾輪半徑為r，當滿足機體重心高度等于滾輪半徑與橫滾角余弦值乘積時，即zc＝rcosθ1這一限制條件時，飛行高度接近輪子半徑，此時調(diào)整旋翼轉(zhuǎn)速，使旋翼產(chǎn)生升力減小，滾輪受到機架的壓力從而受到地面的摩擦力使其滾動實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。

22、進一步的，所述步驟2)具體包括：在飛行狀態(tài)下，使用串級pid控制法，在飛行模式的控制系統(tǒng)中，輸入為θd＝[φd,θd,ψd,zd]，φd，θd，ψd分別是從遙控器接收到的期望姿態(tài)角，zd為期望機體高度，φd，θd，ψd和zd這些期望值對應(yīng)的實際量分別為θ＝[φ,θ,ψ,z]，對θ進行微分得到速度矩陣其中分別為三個姿態(tài)角角速度，為機體在地球坐標系下z軸方向?qū)?yīng)的速度；

23、將上述角度量與高度量帶入控制器進行串級pid計算，外環(huán)輸入為e(t)＝θd-θ(t)得到輸出為期望的速度和角速度，記為內(nèi)環(huán)輸入為輸出為相應(yīng)的力矩和力，記為：

24、a＝[τx,τy,τz,fz]t

25、其中，τx為機體受到的地球坐標系下沿x軸方向的力矩，τy為機體受到的地球坐標系下沿y軸方向的力矩，τz為機體受到的地球坐標系下沿z軸方向的力矩，fz為機體受到的地球坐標系下沿z軸方向的力；

26、外環(huán)和內(nèi)環(huán)的pid控制器的輸入輸出關(guān)系如下：

27、

28、其中，kp為pid控制器的比例增益，ki為pid控制器的積分增益，kd為pid控制器的微分增益；

29、經(jīng)過上述計算，內(nèi)環(huán)pid控制器得到四個輸出，這四個輸出τx,τy,τz,fz與各旋翼的轉(zhuǎn)速和三號旋翼的傾轉(zhuǎn)角的關(guān)系如下：

30、

31、上式轉(zhuǎn)化成如下矩陣形式的表達式：

32、

33、簡記為：

34、δuδ＝mδu???(8)

35、含義為內(nèi)環(huán)pid控制器的控制輸出進一步轉(zhuǎn)化為δuδ，δuδ的物理意義為三旋翼機器人從起始狀態(tài)達到目標狀態(tài)需要改變的控制增量，這些控制量分別對應(yīng)為三軸力矩增量和z軸拉力增量；通過上述公式推導得中間控制變量的變化量δu為：

36、δu＝m-1δuδ

37、基于先前定義的物理參數(shù)計算得到四個電機的初始控制輸入u0,u0設(shè)定為兩棲機器人在懸停時的各輸入的值，計算過程如下。

38、初始時，各方向的力矩為0，uδ的表達式如下：

39、

40、式(6)與式(9)聯(lián)立解得結(jié)果如下：

41、ω10＝ω20

42、θ0＝0

43、

44、根據(jù)上述定義與計算結(jié)果得u0的表達式如下：

45、

46、其中，ω10，ω20，ω30分別為初始時輸入的一號旋翼、二號旋翼和三號旋翼的轉(zhuǎn)速的控制量；

47、將δu與u0相加得到電機的控制器接收到的控制信號u的表達式：

48、u＝u0+δu＝[u1，u2，u3，u4]t???(10)

49、其中，u1，u2，u3，u4分別為控制信號u的四個分量；

50、由式(8)解得轉(zhuǎn)速ω1、ω2、ω3與舵機偏轉(zhuǎn)角μ如下所示：

51、

52、根據(jù)上述控制方法及動力分配方法，兩棲機器人飛行狀態(tài)下的控制完成。

53、進一步的，所述步驟3)具體包括：在地面運動狀態(tài)下，設(shè)計了姿態(tài)控制器，將兩棲機器人的俯仰角、偏航角、升力和力矩被確定為系統(tǒng)穩(wěn)定性的性能指標；選擇系統(tǒng)的狀態(tài)變量和輸出向量，狀態(tài)空間如公式(12)所示：

54、

55、θk和ψk分別為兩棲機器人在地面運動時的橫滾角和偏航角；xk為系統(tǒng)的狀態(tài)向量，yk為系統(tǒng)的輸出向量，ad為系統(tǒng)矩陣，bd為輸入矩陣，ed為，uk-1為輸入控制信號，其中包括τx為機體受到的地球坐標系下沿x軸方向的力矩，τy為機體受到的地球坐標系下沿y軸方向的力矩,τz為機體受到的地球坐標系下沿z軸方向的力矩，fx為機體受到的地球坐標系下沿x軸方向的力，wk-1為前饋向量，其中分別為fx，τx，τy，τz對應(yīng)的控制前饋量；

56、在地面運動過程中，由歐拉定理得到上述狀態(tài)空間中的歐拉角與飛控測得的角速度的關(guān)系如式(13)所示，其中為cnmp坐標系下機架的俯仰角；

57、

58、由上述狀態(tài)空間可知，姿態(tài)控制器的控制目標是已知參考姿態(tài)角θd＝[θd,ψd]t，設(shè)計控制器使得limt→+∞||eθ(t)||＝0，其中θd為目標橫滾角和偏航角，ωd為理想角速度；

59、在姿態(tài)控制器中，基于模型分解的部分引入了凱恩方程作為前饋，以抵消重力和慣性力的影響；基于伺服控制的部分采用了pd控制，實現(xiàn)角度的快速補償；最終控制器輸出τx和τy的期望值，為下一步的旋翼動力分配提供輸入。

60、進一步的，所述步驟4)具體包括：設(shè)計地面運動狀態(tài)下的速度控制器，在被動滾輪上安裝光電編碼器測量滾輪的轉(zhuǎn)角，通過控制被動滾輪的轉(zhuǎn)角實現(xiàn)對兩棲機器人地面模式下速度的控制，采用pd控制的方式并引入凱恩方程作為前饋，整個系統(tǒng)的輸出為機架對滾輪的期望力矩，該力矩為τz的期望值，其中，φd為目標滾轉(zhuǎn)角，設(shè)計控制器使得limt→+∞||eφ(t)||＝0，結(jié)合姿態(tài)控制與速度控制輸出的力矩，對旋翼進行動力分配，就完成了地面運動的控制。

61、本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果為：1)提高兩棲機器人起降的穩(wěn)定性：本發(fā)明通過增加輪子設(shè)計，提升了機器人的地面支持力，使機器人能夠在地面和空中飛行之間實現(xiàn)平滑過渡；相比傳統(tǒng)飛行器，本發(fā)明的設(shè)計使得機器人能夠在地面上獲得更強的穩(wěn)定性，減少了因漂移或失速導致的控制問題。

62、2)提升機器人的地面滑行能力：通過在三旋翼飛行器下方添加一個被動滾輪，可以使飛行器在地面上滑行；這一設(shè)計有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中飛行器無法在地面上進行有效移動的問題，特別是在復雜的環(huán)境中，如城市街道、山區(qū)或災(zāi)區(qū)，本發(fā)明使機器人能夠在不依賴飛行模式的情況下進行地面移動，提高了任務(wù)的靈活性和適應(yīng)性。

63、3)提升機器人效率：本發(fā)明的設(shè)計使該兩棲機器人能夠通過被動地面滑行代替部分飛行操作，從而減少飛行器的能量消耗。機器人可以根據(jù)任務(wù)需求選擇適合的模式進行飛行或地面滑行，同時，在結(jié)合地面運動模式后，該機器人可以通過滑行減少懸停時間，進一步優(yōu)化能量利用效率，增加續(xù)航能力。機器人可以高效地完成飛行與地面滑行的模式切換，大幅提高了任務(wù)執(zhí)行的效率。

64、4)降低成本并簡化結(jié)構(gòu)：與現(xiàn)有陸空兩棲機器人復雜多輪設(shè)計相比，本發(fā)明通過在三旋翼飛行器中僅增加一個被動滾輪，顯著簡化了兩棲機器人的結(jié)構(gòu)。輪子與旋翼之間的動力耦合更加簡單，控制系統(tǒng)也變得更加直觀。這不僅降低了陸空兩棲機器人的制造成本，也減少了維護難度。簡化的結(jié)構(gòu)使得機器人在執(zhí)行任務(wù)時更加可靠，同時減少了因復雜結(jié)構(gòu)引起的故障概率。

65、5)提高機器人對狹窄空間和復雜地形的適應(yīng)能力：通過增加輪子的設(shè)計，本發(fā)明的機器人能夠更加靈活地在狹窄空間中進行移動。相比于傳統(tǒng)四輪或多輪設(shè)計的機器人，本發(fā)明的單輪設(shè)計使得機器人的體積更小，在空間狹窄的環(huán)境中具有更高的機動性。機器人能夠更加容易地穿越城市街道、建筑物間隙，適應(yīng)更復雜的任務(wù)場景，特別是在災(zāi)區(qū)搜救、建筑內(nèi)部巡視等需要狹窄空間適應(yīng)能力的任務(wù)中，具有明顯的優(yōu)勢。在復雜地形中，機器人可以選擇在飛行模式和地面滑行模式之間快速切換，避免了飛行過程中的不穩(wěn)定性問題，提升了飛行器在多變環(huán)境下的表現(xiàn)。