【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及飞行机器人，特别是涉及一种基于腿足式着陆的飞行机器人和方法。
技术介绍
1、飞行机器人具备强大的空中运动能力，而机器人完成飞行任务后需要进行降落着陆至地面，因此飞行机器人从空中模态至陆地模态的切换能否顺利完成相当重要。机器人以一定前向速度在空中飞行，当需要在目的地进行快速降落时，需要进行从空中模态到陆地模态的转换，即以一定前向速度进行着陆，机器人所面临的挑战是着陆后仍存在一定的初速度，机器人需要尽快减速并且停止下来，机器人急剧减速会产生很大的惯性力使机器人往前摔倒，这对机器人从空中模态过渡到陆地模态是个灾难性的后果。目前的飞行器的降落着陆方法主要有两种，一种是多旋翼飞行器通过控制着陆速度进行垂直降落，但这种着陆方式要求其着陆前的垂直速度接近于零，否则飞行器着陆后无法抵消剩余动能会发生倾覆，且这种方法消耗的能量高，飞行器在地面的机动性较差；另一种着陆方式则是固定翼飞行器采用轮式脚架进行长距离的滑行完成着陆，这种方法虽然利用轮子滑行将着陆动能进行缓冲，但是其滑行跑道较长，对地面平整度要求高，且通过滑行来缓冲动能是一种被动方式。这些方法都有其缺点，无法满足飞行机器人在有限的着陆地面条件下，以一定初速度快速稳定着陆的要求。
2、目前的飞行机器人在进行从空中模态到陆地模态的过渡时常常采用以下几种策略：1)在空中降落时令质心速度减小为零，则着陆时机器人速度接近于零。该方法在降落时就完成了减速，需要较长时间和较大空间完成空中的轨迹跟踪。2)飞行机器人为适应不平整地面进行垂直起降，采用主动伸缩的腿足式缓冲起落架，例如专
技术实现思路
1、本专利技术的首要目的是克服现有技术存在的问题，提供一种基于腿足式着陆的飞行机器人和方法，本专利技术能够解决飞行机器人在非平整地形情况下以较大前向速度的着陆问题，并保证飞行机器人的姿态稳定。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供了一种推力装置，所述推力装置包括：后推进器、前推进器、控制机构和连杆，所述后推进器和所述前推进器分别通过旋转副活动连接在所述连杆的两端；所述控制机构连接在所述连杆的中间位置，所述控制机构用于控制所述后推进器和所述前推进器产生的推力方向和推力大小。
3、所述控制机构包括：旋转电机、控制器、摇臂、第一电池和第二电池，
4、所述旋转电机的输出轴和所述摇臂固定连接，所述摇臂和所述连杆转动连接，所述旋转电机通过所述摇臂带动所述连杆旋转，从而控制所述后推进器和所述前推进器的旋转方向，进而控制推力方向；
5、所述控制器的第一信号输出端和所述旋转电机的信号输入端连接，所述控制器的第二信号输出端分别与所述后推进器的信号输入端和所述前推进器的信号输入端连接，所述旋转电机接收所述控制器发送的第一控制信号，并根据所述第一控制信号控制所述后推进器和所述前推进器的旋转方向，所述后推进器和所述前推进器接收所述控制器发送的第二信号，并根据所述第二信号改变所述后推进器和所述前推进器产生的推力大小；
6、所述第一电池用于给所述后推进器和所述前推进器供电，所述第二电池用于给所述控制器供电。
7、为了实现上述目的，本专利技术还提供一种基于腿足式着陆的飞行机器人，包括所述的推力装置、飞行机器人本体和姿态传感器，所述推力装置设置在所述飞行机器人本体的腿足机构上，所述姿态传感器设在所述飞行机器人本体上，所述推力装置用于产生前推力和后推力，并通过控制所述前推力和后推力的大小来控制所述飞行机器人着陆，所述姿态传感器用于生成飞行机器人的姿态数据，并将所述姿态数据发给推力装置，所述推力装置根据所述姿态数据保证飞行机器人的姿态。
8、为了实现上述目的，本专利技术还提供一种基于腿足式着陆的方法，所述方法基于一种基于腿足式着陆的飞行机器人，所述方法包括：
9、获取飞行机器人着陆后的前向速度，并根据着陆地面获取所述飞行机器人的落足点位置序列；
10、基于所述落足点位置序列和所述前向速度获取所述飞行机器人的步态时间序列和期望零力矩点轨迹，并基于摆线方程获取所述飞行机器人的足端运动轨迹；
11、根据所述前向速度计算水平推力衰减轨迹；
12、根据所述期望零力矩点轨迹和所述水平推力衰减轨迹获得质心水平轨迹；
13、基于落足点位置序列和所述质心水平轨迹，使用虚拟斜坡法计算所述飞行机器人的质心高度轨迹；
14、对质心轨迹和所述足端运动轨迹进行逆解处理，获得所述飞行机器人的期望关节角度轨迹，其中，所述质心轨迹基于质心水平轨迹和质心高度轨迹获得；
15、所述飞行机器人基于所述水平推力衰减轨迹和所述期望关节角度轨迹进行步行缓冲运动，从而实现着陆。
16、进一步地，所述基于所述落足点位置序列和所述前向速度获取所述飞行机器人的步态时间序列和期望零力矩点轨迹，具体包括：
17、基于所述落足点位置序列获取步态周期的步长、步宽及步高；
18、根据所述前向速度和所述步长计算所述飞行机器人着陆后的第一步的步态时间，具体计算方式如下：
19、
20、其中，为步长，为前向速度；
21、判断所述第一步的步态时间是否大于最小步态时间，若大于，则以所述第一步的步态时间为基准计算步态时间序列；否则以最小步态时间为基准计算步态时间序列，且步态周期中任意一步的步态时间满足；
22、根据步态周期的步长、步宽、步高和所述步态时间序列生成期望零力矩点轨迹，所述零力矩点轨迹包括方向的零力矩点轨迹zmpx和方向的零力矩点轨迹zmpy。
23、进一步地，根据步态周期的步长、步宽、步高和所述步态时间序列生成期望零力矩点轨迹，包括，假设初始左脚落足点为，右脚落足为，则在第个步态周期内，计算方向的期望零力矩点轨迹zmpx方式如下：
24、
25、其中，计算方向的期望零力矩点轨迹zmpy方式如下：
26、。
27、进一步地，所述基于所述前向速度计算水平推力衰减轨迹，具体包括：
28、基于所述前向速度计算初始水平推力，具体计算方式如下：
29、
30、其中，为需要使用推力缓冲的最小初速度，为比例系数；
31、基于所述初始水平推力计算水平推力衰减轨迹：
32、
33、其中，为当前时间，，为水平推力作用总时间。
34、进一步地，所述根据所述期望零力矩点轨迹和所述水平推力衰减轨迹获得质心水平轨迹，具体包括：
35、构建步行规划模型，基于所述步行规划模型计算零力矩点方程，零力矩点方程具体如下：
36、
37、其中，为飞行机器人的零力矩点，为质心高度，为推力的水平分量，为推力的垂直本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种推力装置，其特征在于，所述推力装置包括：后推进器（1）、前推进器（2）、控制机构和连杆（4），所述后推进器（1）和所述前推进器（2）分别通过旋转副活动连接在所述连杆（4）的两端；所述控制机构连接在所述连杆（4）的中间位置，所述控制机构用于控制所述后推进器（1）和所述前推进器（2）产生的推力方向和推力大小。
2.根据权利要求1所述的一种推力装置，其特征在于，所述控制机构包括：旋转电机（3）、控制器（5）、摇臂、第一电池（6）和第二电池（7），
3.一种基于腿足式着陆的飞行机器人，其特征在于，包括权利要求1至权利要求2任一项所述的推力装置、飞行机器人本体和姿态传感器，所述推力装置设置在所述飞行机器人本体的腿足机构上，所述姿态传感器设在所述飞行机器人本体上，所述推力装置用于产生前推力和后推力，并通过控制所述前推力和后推力的大小来控制所述飞行机器人着陆，所述姿态传感器用于生成飞行机器人的姿态数据，并将所述姿态数据发给推力装置，所述推力装置根据所述姿态数据保证飞行机器人的姿态。
4.一种基于腿足式着陆的方法，所述方法基于权利要求3所述的一种基于腿
5.根据权利要求4所述的一种基于腿足式着陆的方法，其特征在于，所述基于所述落足点位置序列和所述前向速度获取所述飞行机器人的步态时间序列和期望零力矩点轨迹，具体包括：
6.根据权利要求5所述的一种基于腿足式着陆的方法，其特征在于，根据步态周期的步长、步宽、步高和所述步态时间序列生成期望零力矩点轨迹，包括，假设初始左脚落足点为，右脚落足为，则在第个步态周期内，计算方向的期望零力矩点轨迹ZMPX方式如下：
7.根据权利要求4所述的一种基于腿足式着陆的方法，其特征在于，所述基于所述前向速度计算水平推力衰减轨迹，具体包括：
8.根据权利要求4所述的一种基于腿足式着陆的方法，其特征在于，所述根据所述期望零力矩点轨迹和所述水平推力衰减轨迹获得质心水平轨迹，具体包括：
9.根据权利要求4所述的一种基于腿足式的着陆方法，其特征在于，所述基于所述落足点位置序列和所述质心水平轨迹，使用虚拟斜坡法计算所述飞行机器人的质心高度轨迹，具体包括：
10.根据权利要求任一项所述的一种基于腿足式的着陆方法，其特征在于，所述飞行机器人基于所述水平推力衰减轨迹和所述期望关节角度轨迹进行步行缓冲运动，从而实现着陆，包括：飞行机器人的关节电机根据所述期望关节角度轨迹驱动飞行机器人执行步行动作；推力装置的控制器根据所述水平推力衰减轨迹和姿态传感器生成的姿态数据，驱动前推进器、后推进器产生相应的推力以及驱动旋转电机改变推力朝向，实现缓冲着陆减速产生的惯性力和保证飞行机器人的姿态，从而实现着陆。
...【技术特征摘要】
1.一种推力装置，其特征在于，所述推力装置包括：后推进器（1）、前推进器（2）、控制机构和连杆（4），所述后推进器（1）和所述前推进器（2）分别通过旋转副活动连接在所述连杆（4）的两端；所述控制机构连接在所述连杆（4）的中间位置，所述控制机构用于控制所述后推进器（1）和所述前推进器（2）产生的推力方向和推力大小。
2.根据权利要求1所述的一种推力装置，其特征在于，所述控制机构包括：旋转电机（3）、控制器（5）、摇臂、第一电池（6）和第二电池（7），
3.一种基于腿足式着陆的飞行机器人，其特征在于，包括权利要求1至权利要求2任一项所述的推力装置、飞行机器人本体和姿态传感器，所述推力装置设置在所述飞行机器人本体的腿足机构上，所述姿态传感器设在所述飞行机器人本体上，所述推力装置用于产生前推力和后推力，并通过控制所述前推力和后推力的大小来控制所述飞行机器人着陆，所述姿态传感器用于生成飞行机器人的姿态数据，并将所述姿态数据发给推力装置，所述推力装置根据所述姿态数据保证飞行机器人的姿态。
4.一种基于腿足式着陆的方法，所述方法基于权利要求3所述的一种基于腿足式着陆的飞行机器人，其特征在于，包括：
5.根据权利要求4所述的一种基于腿足式着陆的方法，其特征在于，所述基于所述落足点位置序列和所述前向速度获取所述飞行机器人的步态时间序列和期望...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄之峰，陈福林，聂磊，张彦，郭辅成，黄楚楷，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：
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