本發(fā)明屬于機(jī)器人，尤其是涉及一種面向復(fù)雜地形的六足飛行機(jī)器人及控制方法。

背景技術(shù)：

1、六足機(jī)器人是一種仿生機(jī)器人，其設(shè)計(jì)靈感來源于自然界中的昆蟲和其他多足生物。與傳統(tǒng)的輪式或履帶式機(jī)器人不同，六足機(jī)器人依靠六條足腿部進(jìn)行移動，通常在不平整或復(fù)雜地形中具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。六足機(jī)器人通常具有良好的穩(wěn)定性，即使在三條腿部抬起時，剩余三條腿部也能提供足夠的支撐，從而使其保持平衡。這種特點(diǎn)使得六足機(jī)器人在諸如災(zāi)難救援、探測未知環(huán)境、以及軍事偵察等領(lǐng)域表現(xiàn)出色。四旋翼無人機(jī)，也稱為四軸飛行器，是一種由四個旋翼提供升力的無人飛行器。其核心設(shè)計(jì)理念是通過四個電機(jī)驅(qū)動的旋翼進(jìn)行推力控制，實(shí)現(xiàn)高精度的飛行操控。四旋翼無人機(jī)因結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活以及能在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸停而在各類應(yīng)用中廣泛使用，如航拍、環(huán)境監(jiān)測、物流運(yùn)輸、災(zāi)難救援等領(lǐng)域。

2、目前六足機(jī)器人與四旋翼無人機(jī)的協(xié)同主要是分布式協(xié)同，通常將任務(wù)劃分為空中和地面兩個模塊進(jìn)行協(xié)作，這樣可以有效發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢，但這種方式對于兩者的通信與數(shù)據(jù)傳輸有著較高的要求，并且需要進(jìn)行較為準(zhǔn)確的協(xié)同規(guī)劃與任務(wù)分配，最重要的是當(dāng)進(jìn)入更為復(fù)雜特殊的地形，如隧道、山洞、礦洞等這些無法支持無人機(jī)實(shí)現(xiàn)固定高度飛行的場景下，六足機(jī)器人與無人機(jī)便無法發(fā)揮協(xié)同優(yōu)勢。當(dāng)六足機(jī)器人進(jìn)入以上場景時，若面對有一定的高度落差的地形，就無法只憑借腿部運(yùn)動通過。那么如何拓寬六足機(jī)器人的運(yùn)動場景，使其能在復(fù)雜地形完美通過，便是我們需要解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是提供一種可變形的陸空兩用機(jī)器人，在步行姿態(tài)下機(jī)器人可以發(fā)揮六足優(yōu)勢進(jìn)行爬行，一旦遇到不可翻越的障礙物，可變?yōu)轱w行姿態(tài)，使用四旋翼起飛，最終飛越障礙物，不用加裝或拆卸部件即可適用于特殊復(fù)雜的地形，同時機(jī)器人所攜帶的攝像頭可實(shí)現(xiàn)一體兩用的功能，在飛行時可作為圖傳模塊，在步行時可做到視覺識別實(shí)現(xiàn)避障功能，充分利用各部件，增強(qiáng)機(jī)器人的適用性。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種面向復(fù)雜地形的六足飛行機(jī)器人，包括主體和分布在主體周圍的腿部；所述主體包括攝像頭、舵機(jī)組件、飛行控制組件、機(jī)器人主體組件、總控模塊及緩沖組件；所述攝像頭設(shè)置在舵機(jī)組件上并與總控模塊通信；所述舵機(jī)組件、飛行控制組件設(shè)置在機(jī)器人主體組件上方，所述總控模塊設(shè)置在機(jī)器人主體組件內(nèi)，所述緩沖組件設(shè)置在機(jī)器人主體組件下方；

3、所述腿部包括螺旋槳組件、電機(jī)組件、電機(jī)承載組件、第一防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)、舵機(jī)連接組件、第二防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)、十字連接組件和第三防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)；六個所述腿部呈對稱結(jié)構(gòu)設(shè)置在機(jī)器人主體組件兩側(cè)，第三防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)與機(jī)器人主體組件固定連接，十字連接組件分別連接第二防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)和第三防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)，使第二防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)能夠相對于第三防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)上下、左右擺動，所述舵機(jī)連接組件分別連接第一防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)和第二防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)；所述電機(jī)承載組件鉸接在第一防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)端部，使電機(jī)承載組件能夠相對于舵機(jī)連接組件上下擺動；所述電機(jī)組件設(shè)置在電機(jī)承載組件上，用于驅(qū)動螺旋槳組件轉(zhuǎn)動。

4、進(jìn)一步，所述總控模塊采用樹莓派。

5、本發(fā)明還公開了一種面向復(fù)雜地形的六足飛行機(jī)器人的控制方法，包括以下步驟：

6、s1，將攝像頭采集的圖像進(jìn)行灰度化，對灰度化后的圖像進(jìn)行紋理特征提取，構(gòu)建灰度共生矩陣，對障礙物進(jìn)行分類識別；

7、s2，根據(jù)所需的避障模式確定機(jī)器人處于步行姿態(tài)還是飛行姿態(tài)；

8、s3，當(dāng)機(jī)器人處于步行姿態(tài)時，構(gòu)建機(jī)器人腿部的運(yùn)動參數(shù)；

9、s4，當(dāng)機(jī)器人處于飛行姿態(tài)時，構(gòu)建機(jī)器人旋翼的動力分配參數(shù)。

10、進(jìn)一步，構(gòu)件灰度共生矩陣包括以下步驟：

11、s11，灰度量化；將圖像的灰度級壓縮到較少的灰度級范圍，以減小計(jì)算復(fù)雜度；

12、s12，定義方向和距離；設(shè)定鄰域關(guān)系的方向和距離，常見的方向和距離組合包括：水平右側(cè)0°；右上角45°；垂直上方90°；左上角135°；距離設(shè)定為1個像素；

13、s13，統(tǒng)計(jì)灰度共現(xiàn)頻率；計(jì)算像素對中，灰度級為i和j的像素在給定方向和距離上的出現(xiàn)次數(shù)，將其填入矩陣中；

14、s14，歸一化；將共生矩陣的所有元素除以總次數(shù)，以將其轉(zhuǎn)換為概率分布：

15、

16、進(jìn)一步，所述紋理特征包括：

17、對比度contrast：描述灰度分布的不均勻程度以及圖像紋理的粗糙程度

18、

19、能量energy：描述灰度分布的均勻程度或紋理模式的重復(fù)程度：

20、

21、同質(zhì)性homogeneity：衡量相鄰灰度級相似程度：

22、

23、式中，n為灰度級數(shù)。

24、進(jìn)一步，所述分類識別采用yolo算法；所述yolo算法包括以下步驟：

25、s111，將輸入圖像劃分成多個大小相等的網(wǎng)格單元；

26、s112，每個網(wǎng)格單元負(fù)責(zé)檢測落入該單元內(nèi)的目標(biāo)物體；

27、s113，對于每個網(wǎng)格單元，yolo同時預(yù)測多個邊界框以及每個邊界框?qū)?yīng)的目標(biāo)類別概率和置信度得分；

28、邊界框：每個邊界框包括(x,y,w,h)四個參數(shù)，分別表示框的中心坐標(biāo)、寬度和高度；

29、置信度：表示該邊界框是否包含目標(biāo)以及邊界框的準(zhǔn)確性；

30、confidence＝p(object)·ioupred,truth

31、式中，p(object)為網(wǎng)格單元是否包含目標(biāo)的概率；ioupred,truth為預(yù)測邊界框與真實(shí)邊界框的交并比；

32、類別概率：對于每個類別c∈{1,2,…,c}，預(yù)測目標(biāo)屬于該類別的概率p(classc∣object)；

33、s114，通過設(shè)定置信度閾值，篩選出置信度較高的邊界框，并根據(jù)類別概率確定目標(biāo)物體的類別，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位和分類識別。

34、進(jìn)一步，s3包括以下步驟：

35、將機(jī)器人的腿部動作分為支撐相和擺動相；

36、假設(shè)腿部的運(yùn)動在支撐相和擺動相中分別是水平和垂直方向的線性運(yùn)動；

37、在支撐相期間，腿部沿水平軸移動并接觸地面，保持垂直方向位置不變：

38、則水平位置x(t)：

39、

40、式中，ts為支撐相持續(xù)時間；l為腿部在支撐相的水平位移；xinitial為支撐相開始時的水平起始位置；

41、垂直位置y(t)：

42、y(t)＝0,0<t<ts

43、在擺動相期間，腿部沿水平軸和垂直軸移動；

44、水平位置x(t)：

45、

46、式中，tw為擺動相持續(xù)時間；

47、垂直位置y(t)：

48、

49、式中，h為腿部在擺動相中的最高點(diǎn)；

50、用線性方程近似表示抬升和降落階段；

51、腿部在擺動相的前半部分逐漸抬升到最高點(diǎn)時的線性方程為：

52、

53、腿部在擺動相的后半部分從最高點(diǎn)逐漸降至地面時的線性方程為：

54、

55、單條腿部在整個周期t＝ts+tw內(nèi)的運(yùn)動方程：

56、

57、

58、設(shè)第二防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)206和第三防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)208之間的橫向擺動角度為θ1，第二防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)206和第三防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)208之間的縱向擺動角度為θ2，第一防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)204和第二防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)206之間的縱向擺動角度為θ3；

59、設(shè)第二防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)206和第三防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)208之間的長度為l1；第二防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)206和第三防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)208之間的長度為l2；第一防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)204和第二防轉(zhuǎn)堵舵機(jī)206之間的長度為l3；

60、采用正向運(yùn)動學(xué)根據(jù)給定的關(guān)節(jié)角度(θ1,θ2,θ3)計(jì)算腿部的末端位置(x,y,z)，每條腿部的末端坐標(biāo)可以通過以下方程計(jì)算得到：

61、

62、式中，x和y表示腿部在平面內(nèi)的水平位置，z表示腿部的垂直高度；

63、采用逆向運(yùn)動學(xué)根據(jù)給定的末端位置(x,y,z)計(jì)算每個角度(θ1,θ2,θ3)，包括以下步驟：

64、計(jì)算角θ1：

65、

66、根據(jù)三角形關(guān)系計(jì)算角θ2：

67、

68、使用腿部的目標(biāo)位置和已知的θ1和θ2計(jì)算角θ3：

69、

70、進(jìn)一步，s4包括以下步驟：

71、采用對角型的旋翼布局，使四個旋翼中對角的兩個旋翼同向旋轉(zhuǎn)，另外兩個旋翼反向旋轉(zhuǎn)；

72、旋翼動力動力分配基于其推力和力矩來調(diào)整四個旋翼的轉(zhuǎn)速；

73、數(shù)學(xué)模型為：四旋翼無人機(jī)通過調(diào)整四個旋翼的轉(zhuǎn)速ω1、ω2、ω3、ω4控制以下四個飛行變量：

74、總推力ftotal控制升降高度；滾轉(zhuǎn)力矩τx控制橫滾姿態(tài)；俯仰力矩τy控制俯仰姿態(tài)；偏航力矩τz控制偏航姿態(tài)；

75、動力分配的目標(biāo)是根據(jù)給定的ftotal、τx、τy、τz計(jì)算四個旋翼的轉(zhuǎn)速，使無人機(jī)達(dá)到預(yù)期姿態(tài)和運(yùn)動狀態(tài)；

76、動力與旋翼轉(zhuǎn)速的關(guān)系為旋翼產(chǎn)生的升力fi和力矩mi與其轉(zhuǎn)速平方成正比：

77、

78、式中，fi為第i個旋翼的推力；mi為第i個旋翼產(chǎn)生的繞自身軸的旋轉(zhuǎn)力矩；kf為推力系數(shù)；km為力矩系數(shù)；ωi為第i個旋翼的角速度；

79、假設(shè)旋翼布局為對角型，旋翼位置與中心的距離為l，動力分配的核心可由以下矩陣進(jìn)行表示：

80、

81、記動力分配矩陣為a：

82、

83、則動力分配可以表示為：

84、

85、通過求解此方程，可以得到每個旋翼的轉(zhuǎn)速平方然后取平方根得到實(shí)際旋翼轉(zhuǎn)速；

86、限制最大轉(zhuǎn)速：為防止旋翼轉(zhuǎn)速超出電機(jī)能力范圍，對轉(zhuǎn)速施加限制：

87、

88、調(diào)整動力分配：如果旋翼轉(zhuǎn)速超出限制，需要重新調(diào)整動力分配，減少輸入的力或力矩；

89、控制算法對飛行器的影響，pid控制器控制流程：

90、

91、計(jì)算姿態(tài)誤差e(t)＝目標(biāo)角度-實(shí)際角度，根據(jù)pid公式計(jì)算控制信號，將控制信號轉(zhuǎn)化為旋翼的轉(zhuǎn)速調(diào)整；

92、計(jì)算高度誤差e(t)＝目標(biāo)高度-當(dāng)前高度，pid控制輸出總推力調(diào)整，根據(jù)總推力調(diào)整所有旋翼的轉(zhuǎn)速，確保推力匹配目標(biāo)高度；

93、計(jì)算水平位置誤差ex(t)＝目標(biāo)x坐標(biāo)-當(dāng)前x坐標(biāo)和ey(t)＝目標(biāo)y坐標(biāo)-當(dāng)前y坐標(biāo)，pid控制分別輸出目標(biāo)俯仰角和橫滾角，將計(jì)算出的俯仰角和橫滾角作為姿態(tài)控制的目標(biāo)值。

94、本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明基于樹莓派進(jìn)行運(yùn)動姿態(tài)控制和視覺識別，使用飛行控制來控制飛行姿態(tài)，在必要的情況下通過樹莓派來改變機(jī)器人姿態(tài)，使機(jī)器人從步行狀態(tài)改變?yōu)轱w行狀態(tài)，在不更換機(jī)器人部件的條件下，極大的擴(kuò)展了機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，穩(wěn)定性與行動力強(qiáng)，各部件在不同狀態(tài)下起到不同作用，極大的提高了各部件利用率，結(jié)構(gòu)更為緊湊，提高了機(jī)器人的空間利用率，并且降低了機(jī)器人重量，提升了機(jī)器人的工作時長，本發(fā)明使得機(jī)器人有著極高的適用性。