本發(fā)明涉及飛行機(jī)器人，特別是涉及一種基于腿足式著陸的飛行機(jī)器人和方法。

背景技術(shù)：

1、飛行機(jī)器人具備強(qiáng)大的空中運(yùn)動(dòng)能力，而機(jī)器人完成飛行任務(wù)后需要進(jìn)行降落著陸至地面，因此飛行機(jī)器人從空中模態(tài)至陸地模態(tài)的切換能否順利完成相當(dāng)重要。機(jī)器人以一定前向速度在空中飛行，當(dāng)需要在目的地進(jìn)行快速降落時(shí)，需要進(jìn)行從空中模態(tài)到陸地模態(tài)的轉(zhuǎn)換，即以一定前向速度進(jìn)行著陸，機(jī)器人所面臨的挑戰(zhàn)是著陸后仍存在一定的初速度，機(jī)器人需要盡快減速并且停止下來(lái)，機(jī)器人急劇減速會(huì)產(chǎn)生很大的慣性力使機(jī)器人往前摔倒，這對(duì)機(jī)器人從空中模態(tài)過(guò)渡到陸地模態(tài)是個(gè)災(zāi)難性的后果。目前的飛行器的降落著陸方法主要有兩種，一種是多旋翼飛行器通過(guò)控制著陸速度進(jìn)行垂直降落，但這種著陸方式要求其著陸前的垂直速度接近于零，否則飛行器著陸后無(wú)法抵消剩余動(dòng)能會(huì)發(fā)生傾覆，且這種方法消耗的能量高，飛行器在地面的機(jī)動(dòng)性較差；另一種著陸方式則是固定翼飛行器采用輪式腳架進(jìn)行長(zhǎng)距離的滑行完成著陸，這種方法雖然利用輪子滑行將著陸動(dòng)能進(jìn)行緩沖，但是其滑行跑道較長(zhǎng)，對(duì)地面平整度要求高，且通過(guò)滑行來(lái)緩沖動(dòng)能是一種被動(dòng)方式。這些方法都有其缺點(diǎn)，無(wú)法滿足飛行機(jī)器人在有限的著陸地面條件下，以一定初速度快速穩(wěn)定著陸的要求。

2、目前的飛行機(jī)器人在進(jìn)行從空中模態(tài)到陸地模態(tài)的過(guò)渡時(shí)常常采用以下幾種策略：1)在空中降落時(shí)令質(zhì)心速度減小為零，則著陸時(shí)機(jī)器人速度接近于零。該方法在降落時(shí)就完成了減速，需要較長(zhǎng)時(shí)間和較大空間完成空中的軌跡跟蹤。2)飛行機(jī)器人為適應(yīng)不平整地面進(jìn)行垂直起降，采用主動(dòng)伸縮的腿足式緩沖起落架，例如專利“cn111470035b”，通過(guò)自適應(yīng)的起落架緩沖機(jī)構(gòu)對(duì)著陸動(dòng)能進(jìn)行緩沖，但是無(wú)法完成在較大水平前向速度條件下的降落。上述方法有著各自的局限性，無(wú)法完成在非平整地形下，能適應(yīng)較大前向速度的著陸緩沖問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的首要目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種基于腿足式著陸的飛行機(jī)器人和方法，本發(fā)明能夠解決飛行機(jī)器人在非平整地形情況下以較大前向速度的著陸問(wèn)題，并保證飛行機(jī)器人的姿態(tài)穩(wěn)定。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種推力裝置，所述推力裝置包括：后推進(jìn)器、前推進(jìn)器、控制機(jī)構(gòu)和連桿，所述后推進(jìn)器和所述前推進(jìn)器分別通過(guò)旋轉(zhuǎn)副活動(dòng)連接在所述連桿的兩端；所述控制機(jī)構(gòu)連接在所述連桿的中間位置，所述控制機(jī)構(gòu)用于控制所述后推進(jìn)器和所述前推進(jìn)器產(chǎn)生的推力方向和推力大小。

3、所述控制機(jī)構(gòu)包括：旋轉(zhuǎn)電機(jī)、控制器、搖臂、第一電池和第二電池，

4、所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出軸和所述搖臂固定連接，所述搖臂和所述連桿轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)所述搖臂帶動(dòng)所述連桿旋轉(zhuǎn)，從而控制所述后推進(jìn)器和所述前推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而控制推力方向；

5、所述控制器的第一信號(hào)輸出端和所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)的信號(hào)輸入端連接，所述控制器的第二信號(hào)輸出端分別與所述后推進(jìn)器的信號(hào)輸入端和所述前推進(jìn)器的信號(hào)輸入端連接，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)接收所述控制器發(fā)送的第一控制信號(hào)，并根據(jù)所述第一控制信號(hào)控制所述后推進(jìn)器和所述前推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)方向，所述后推進(jìn)器和所述前推進(jìn)器接收所述控制器發(fā)送的第二信號(hào)，并根據(jù)所述第二信號(hào)改變所述后推進(jìn)器和所述前推進(jìn)器產(chǎn)生的推力大??；

6、所述第一電池用于給所述后推進(jìn)器和所述前推進(jìn)器供電，所述第二電池用于給所述控制器供電。

7、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種基于腿足式著陸的飛行機(jī)器人，包括所述的推力裝置、飛行機(jī)器人本體和姿態(tài)傳感器，所述推力裝置設(shè)置在所述飛行機(jī)器人本體的腿足機(jī)構(gòu)上，所述姿態(tài)傳感器設(shè)在所述飛行機(jī)器人本體上，所述推力裝置用于產(chǎn)生前推力和后推力，并通過(guò)控制所述前推力和后推力的大小來(lái)控制所述飛行機(jī)器人著陸，所述姿態(tài)傳感器用于生成飛行機(jī)器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并將所述姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)給推力裝置，所述推力裝置根據(jù)所述姿態(tài)數(shù)據(jù)保證飛行機(jī)器人的姿態(tài)。

8、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種基于腿足式著陸的方法，所述方法基于一種基于腿足式著陸的飛行機(jī)器人，所述方法包括：

9、獲取飛行機(jī)器人著陸后的前向速度，并根據(jù)著陸地面獲取所述飛行機(jī)器人的落足點(diǎn)位置序列；

10、基于所述落足點(diǎn)位置序列和所述前向速度獲取所述飛行機(jī)器人的步態(tài)時(shí)間序列和期望零力矩點(diǎn)軌跡，并基于擺線方程獲取所述飛行機(jī)器人的足端運(yùn)動(dòng)軌跡；

11、根據(jù)所述前向速度計(jì)算水平推力衰減軌跡；

12、根據(jù)所述期望零力矩點(diǎn)軌跡和所述水平推力衰減軌跡獲得質(zhì)心水平軌跡；

13、基于落足點(diǎn)位置序列和所述質(zhì)心水平軌跡，使用虛擬斜坡法計(jì)算所述飛行機(jī)器人的質(zhì)心高度軌跡；

14、對(duì)質(zhì)心軌跡和所述足端運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行逆解處理，獲得所述飛行機(jī)器人的期望關(guān)節(jié)角度軌跡，其中，所述質(zhì)心軌跡基于質(zhì)心水平軌跡和質(zhì)心高度軌跡獲得；

15、所述飛行機(jī)器人基于所述水平推力衰減軌跡和所述期望關(guān)節(jié)角度軌跡進(jìn)行步行緩沖運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)著陸。

16、進(jìn)一步地，所述基于所述落足點(diǎn)位置序列和所述前向速度獲取所述飛行機(jī)器人的步態(tài)時(shí)間序列和期望零力矩點(diǎn)軌跡，具體包括：

17、基于所述落足點(diǎn)位置序列獲取步態(tài)周期的步長(zhǎng)、步寬及步高；

18、根據(jù)所述前向速度和所述步長(zhǎng)計(jì)算所述飛行機(jī)器人著陸后的第一步的步態(tài)時(shí)間，具體計(jì)算方式如下：

19、

20、其中，為步長(zhǎng)，為前向速度；

21、判斷所述第一步的步態(tài)時(shí)間是否大于最小步態(tài)時(shí)間，若大于，則以所述第一步的步態(tài)時(shí)間為基準(zhǔn)計(jì)算步態(tài)時(shí)間序列；否則以最小步態(tài)時(shí)間為基準(zhǔn)計(jì)算步態(tài)時(shí)間序列，且步態(tài)周期中任意一步的步態(tài)時(shí)間滿足；

22、根據(jù)步態(tài)周期的步長(zhǎng)、步寬、步高和所述步態(tài)時(shí)間序列生成期望零力矩點(diǎn)軌跡，所述零力矩點(diǎn)軌跡包括方向的零力矩點(diǎn)軌跡zmpx和方向的零力矩點(diǎn)軌跡zmpy。

23、進(jìn)一步地，根據(jù)步態(tài)周期的步長(zhǎng)、步寬、步高和所述步態(tài)時(shí)間序列生成期望零力矩點(diǎn)軌跡，包括，假設(shè)初始左腳落足點(diǎn)為，右腳落足為，則在第個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，計(jì)算方向的期望零力矩點(diǎn)軌跡zmpx方式如下：

24、

25、其中，計(jì)算方向的期望零力矩點(diǎn)軌跡zmpy方式如下：

26、。

27、進(jìn)一步地，所述基于所述前向速度計(jì)算水平推力衰減軌跡，具體包括：

28、基于所述前向速度計(jì)算初始水平推力，具體計(jì)算方式如下：

29、

30、其中，為需要使用推力緩沖的最小初速度，為比例系數(shù)；

31、基于所述初始水平推力計(jì)算水平推力衰減軌跡：

32、

33、其中，為當(dāng)前時(shí)間，，為水平推力作用總時(shí)間。

34、進(jìn)一步地，所述根據(jù)所述期望零力矩點(diǎn)軌跡和所述水平推力衰減軌跡獲得質(zhì)心水平軌跡，具體包括：

35、構(gòu)建步行規(guī)劃模型，基于所述步行規(guī)劃模型計(jì)算零力矩點(diǎn)方程，零力矩點(diǎn)方程具體如下：

36、

37、其中，為飛行機(jī)器人的零力矩點(diǎn)，為質(zhì)心高度，為推力的水平分量，為推力的垂直分量；

38、對(duì)所述零力矩點(diǎn)方程進(jìn)行線性化處理，獲得線性零力矩點(diǎn)方程；

39、基于所述期望零力矩點(diǎn)軌跡、所述水平推力衰減軌跡和所述線性零力矩點(diǎn)方程、使用lqr規(guī)劃器獲得質(zhì)心水平軌跡。

40、進(jìn)一步地，所述基于所述落足點(diǎn)位置序列和所述質(zhì)心水平軌跡，使用虛擬斜坡法計(jì)算所述飛行機(jī)器人的質(zhì)心高度軌跡，具體包括：

41、根據(jù)所述落足點(diǎn)位置序列獲得落足點(diǎn)的高度位置；

42、將所述落足點(diǎn)的高度位置進(jìn)行連接，形成虛擬斜坡；

43、計(jì)算相鄰兩個(gè)落足點(diǎn)的斜率，基于所述斜率和所述水平質(zhì)心軌跡計(jì)算質(zhì)心高度軌跡，計(jì)算方式如下：

44、

45、其中，為兩個(gè)落足點(diǎn)的斜率，為質(zhì)心高度。

46、進(jìn)一步地，所述飛行機(jī)器人基于所述水平推力衰減軌跡和所述期望關(guān)節(jié)角度軌跡進(jìn)行步行緩沖運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)著陸，包括：飛行機(jī)器人的關(guān)節(jié)電機(jī)根據(jù)所述期望關(guān)節(jié)角度軌跡驅(qū)動(dòng)飛行機(jī)器人執(zhí)行步行動(dòng)作；推力裝置的控制器根據(jù)所述水平推力衰減軌跡和姿態(tài)傳感器生成的姿態(tài)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)前推進(jìn)器、后推進(jìn)器產(chǎn)生相應(yīng)的推力以及驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)改變推力朝向，實(shí)現(xiàn)緩沖著陸減速產(chǎn)生的慣性力和保證飛行機(jī)器人的姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)著陸。

47、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于：

48、1、通過(guò)引入可以轉(zhuǎn)動(dòng)的推進(jìn)裝置為著陸緩沖的推力，根據(jù)基于推進(jìn)器的腿足機(jī)器人建立步行規(guī)劃模型，推導(dǎo)出含推力項(xiàng)的動(dòng)力學(xué)方程并進(jìn)行線性化處理，利用衰減水平推力抵消步行減速產(chǎn)生的慣性力，并結(jié)合步態(tài)時(shí)間優(yōu)化方法，使用lqr控制規(guī)劃器得到可跟蹤期望零力矩點(diǎn)軌跡的質(zhì)心水平軌跡，使得機(jī)器人能夠在更高的前向速度下完成穩(wěn)定的步行緩沖，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成緩沖并停止，解決飛行機(jī)器人在有限地形條件下以較高初速度著陸的緩沖問(wèn)題；

49、2、根據(jù)在非零前向速度下的降落著陸緩沖情況，通過(guò)優(yōu)化步行時(shí)間使腿足運(yùn)動(dòng)快速響應(yīng)跟上質(zhì)心速度，避免快速減速導(dǎo)致慣性力矩過(guò)大而摔倒，保證飛行機(jī)器人著陸時(shí)的穩(wěn)定性。