一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人

1.本发明属于侦察机器人技术领域，特别是涉及一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人。


背景技术：

2.现代社会中，城市环境复杂，在自然灾害侵袭之后，城市倒塌建筑物和损坏道路都对人员搜救造成极大困难，目前用于搜救的机器人主要为空中侦察机器人和地面侦察机器人。但是空中机器人往往续航时间短、体积较大、天气适应性较差，这些缺点使其能够执行的侦察任务有限；地面侦察机器人在遇到复杂障碍物，如沟壑、高墙、低洼时却难以跨越，侦察范围有限，因此将两者优势相结合的空地一体化侦察机器人就有较大研究意义。
3.现有空地一体化侦察机器人可以实现空中与地面模式结合，提高了机器人地形适应性和侦察范围，但是由于地面行进机构的设计限制，机器人的地面侦察层次较低，只能获取与机器人本体高度相当的视角。在地面侦察过程中，如果遇到较高遮挡物就无法获得遮挡物后面的视角，极大限制了空地一体化侦察机器人地面侦察范围。


技术实现要素：

4.本发明目的在于解决空地一体化侦察机器人地面侦察层次较低的问题，提供一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人，能够灵活切换空地两种模式，同时地面模式可以灵活调整机身高度，具有空地全方位环境侦察、地面多层次视角、续航长、适应多种复杂环境等特点，可以广泛应用于城市巡查、森林巡逻、人员搜救等任务。
5.为了实现本发明目的，本发明公开了一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人，包括多涵道式飞行机架和轮腿式底盘，多涵道式飞行机架采用四旋翼结构，实现机器人的稳定飞行；轮腿式底盘固定在多涵道式飞行机架下方，采用连杆相连接的轮腿式结构，实现机器人的地面行进和高度调节。
6.进一步地，多涵道式飞行机架包括多涵道式飞行机架龙骨；多涵道式飞行机架龙骨两侧对称分布有四个涵道保护罩，飞行电机设置在涵道保护罩的中心转轴上，与螺旋桨直接相连；螺旋桨采用三叶螺旋桨，涵道保护罩直径比螺旋桨旋转直径大；在飞行模式下，涵道保护罩用于保护机器人螺旋桨，避免其在碰撞中损坏，影响正常飞行；在地面模式下，能够在碰撞中起到缓冲作用，避免机器人本体核心部件受到损坏。
7.进一步地，多涵道式飞行机架龙骨内部设置有飞行控制腔，飞行控制腔内部设置有飞行控制器、电子调速器、gps；飞行控制器电性连接于电子调速器，电子调速器电性连接于飞行电机；多涵道式飞行机架龙骨前端设置有摄像装置，摄像装置包括调节螺丝和图传镜头，图传镜头通过两侧调节螺丝固定在飞行机架龙骨上，摄像装置通过图传镜头实时传输图像信息。
8.进一步地，轮腿式底盘包括躯干控制腔、轮腿机构和电机腔；躯干控制腔下方设置有两组轮腿机构，每组轮腿机构底部设置有电机腔；电机腔包括底盘电机、轮毂和轮胎；底
盘电机设置在轮毂内，轮胎包裹在轮毂外侧；躯干控制腔内部设置有四个舵机、主控制器、电池和底盘电机驱动板；主控制器电性连接于四个舵机、底盘电机驱动板和飞行控制器，主控制器用于控制机器人地面模式的行进以及飞行模式核心指令的下达。
9.进一步地，轮腿机构包括前大腿支撑杆、前小腿支撑杆、后大腿支撑杆、后小腿支撑杆；前大腿支撑杆、前小腿支撑杆、后大腿支撑杆、后小腿支撑杆和躯干控制腔形成五杆结构；前大腿支撑杆和后大腿支撑杆的上端分别与躯干控制腔一侧的舵机直接连接；前小腿支撑杆和后小腿支撑杆上端分别与前大腿支撑杆和后大腿支撑杆下端通过轴承连接；前小腿支撑杆和后小腿支撑杆下端通过轴承与电机腔连接；当机器人在地面模式需要进行升降时，通过控制舵机扭转前大腿支撑杆和后大腿支撑杆，将扭力传递到前小腿支撑杆和后小腿支撑杆，围绕连接处的轴承转动，由于前小腿支撑杆和后小腿支撑杆下端固定在电机腔两端轴承上，能够通过两端连接处的轴承转动控制轮腿升降，实现机器人高度变化；当机器人需要切换地面模式与飞行模式时，通过控制舵机向外扭转前大腿支撑杆和后大腿支撑杆，从而带动前小腿支撑杆、后小腿支撑杆和电机腔，实现机器人轮腿的收缩，减小机器人飞行体积；当机器人切换为地面模式时，通过逆向过程实现机器人降落，展开轮腿。
10.进一步地，主控制器对轮腿机构进行自平衡控制时，采用基于超螺旋滑模的控制方法，包括以下步骤：
11.步骤1、对基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人地面模式进行动力学建模，获得包含三个自由度和两个驱动力矩[c
l cr]
t
的系统动力学方程；
[0012]
步骤2、由于机器人的平衡只涉及位置和倾角，重新整理系统方程，获得包含状态向量q＝[x φ]
t
和控制向量u＝[c
l cr]
t
的矩阵方程；
[0013]
步骤3、选取新的状态向量，将机器人动力学模型写成标准柯西形式的微分方程组；
[0014]
步骤4、根据超螺旋滑模算法解算控制量。
[0015]
进一步地，步骤1中的动力学方程具有三个自由度和[c
l cr]
t
两个驱动力矩，动力学模型是一个典型的二阶欠驱动系统，其动力学模型如下：
[0016][0017][0018][0019]
式中，x为机器人位移，φ为机器人质心倾角，为质心倾角的角速度，δ为机器人与x轴夹角，即绕y轴旋转角度，m为左、右轮质量，r为左、右轮半径，dw为左、右轮间距，m为机器人上身总质量，j
ω
为左、右轮对转轴的转动惯量，j
δ
为车体绕y轴的转动惯量，j
p
为车体绕z轴的转动惯量，l为机器人质心到基坐标系z轴的距离为l，c
l
和cr为左、右底盘电机输出对车轮的转矩。
[0020]
进一步地，步骤2中，由于机器人的平衡只涉及位置和倾角的控制，所以选取包含x，φ，c
l
和cr的方程，重新整理成以下形式：
[0021][0022][0023]
取状态向量q＝[x φ]
t
，控制向量u＝[c
l cr]
t
，则侦察机器人在地面行进模式下的动力学模型写成如下形式：
[0024][0025]
其中，其中，
[0026]
进一步地，步骤3中，取组成新的状态向量x，将机器人动力学模型写成标准柯西形式的微分方程组，具体如下：
[0027][0028]
其中，为了方便表示，将f(x)和g(x)分别略写为f和g。
[0029]
进一步地，步骤4中，对于二阶非线性系统，若滑模面s满足以下方程：
[0030][0031]
则系统是稳定的；其中，λ和α均为设计参数，设定为
[0032][0033][0034]
其中λ,α,ω1,γ1,ε,β均大于零；
[0035]
设状态量x1的期望值为x
1d
，则各个跟踪误差的表达式为：
[0036][0037]
定义滑模面为：
[0038]
s＝ce1+e2[0039]
求导，得：
[0040][0041]
显然，在滑模面s可满足条件时，控制量为
[0042][0043]
与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1)本发明的基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人能自由转换飞行模式和地面模式，兼具侦察无人机和侦察无人车的优势。地面模式为本发明的主要行进模式，在遇到楼梯、高台等障碍物或需要从高处入口进入侦察区域时，能通过飞行模式越障继续任务，使机器人在具备极强地形适应性的情况下具有更高的续航时间；2)本发明的轮腿式结构，让机器人兼具了腿足式机器人的通过能力与轮式机器人的机动性。同时比腿足式机器人省电、速度快、效率高、运动噪声低，相比传统轮式机器人，地形适应性强、越障能力强、转弯效率高。在保证机器人具备较高行动能力和越障能力的同时，还能极大程度降低机器人行进时的噪音，提高侦察过程的隐蔽性；3)变高度结构让机器人在地面模式下，能通过调节高度实现一定程度的隐蔽和视角调节，在不启动飞行模式情况下获取更多层次的视角；在飞行模式下，能通过高度调节，收回两个轮腿，最大程度减小机器人体积；4)涵道保护罩可以避免螺旋桨在飞行状态下受到碰撞损坏，同时，机器人在地面模式下与障碍物发生碰撞时，起到一定程度的缓冲效果；5)机器人地面模式自平衡控制采用基于超螺旋滑模的控制方法，在空地模式切换和地面行进过程中，机器人都具有较强的鲁棒性和抗干扰性。
[0044]
为更清楚说明本发明的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。
附图说明
[0045]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0046]
图1为本发明的基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人整体结构图；
[0047]
图2为本发明的基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人多涵道式飞行机架结构图；
[0048]
图3为本发明的基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人轮式底盘结构图；
[0049]
图中附图标记为：多涵道式飞行机架1；轮腿式底盘2；多涵道式飞行机架龙骨3；躯干控制腔4；轮腿机构5；电机腔6；底盘电机7；摄像装置8；涵道保护罩11；飞行电机12；螺旋桨13；飞行控制腔14；调节螺丝15；图传镜头16；前大腿支撑杆22；后大腿支撑杆23；前小腿支撑杆24；后小腿支撑杆25轮胎26；轮毂27。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
如图1-3所示，一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人，包括多涵道式飞行机架1和轮腿式底盘2。多涵道式飞行机架1包括飞行控制腔14、螺旋桨13、飞行电机12、涵道保护罩11和摄像装置8。4个涵道保护罩11对称分布在多涵道式飞行机架1两侧，与多涵道式飞行机架1直接相连接；飞行电机12设置在涵道保护罩11中心转轴上，与螺旋桨13直接相连；涵道保护罩11可以在机器人受到碰撞时，避免螺旋桨13受到较大损坏，影响系统飞行功能，同时，在地面模式下，还可以在机器人与障碍物发生碰撞时，缓冲冲击力，避免机器人受到损坏。
[0052]
具体地，飞行控制腔14内部设置飞控、电调、gps，用来实现机器人稳定飞行，上下双层支架可以给内部硬件提供较好保护。摄像装置8设置在多涵道式飞行机架龙骨3前端，通过两侧调节螺丝15固定在多涵道式飞行机架上，摄像装置可以通过调整调节螺丝15来调整摄像头16的俯仰，实现摄影角度的变化。
[0053]
具体地，轮腿式底盘2包括躯干控制腔4和轮腿机构5和电机腔6。轮腿机构5包括前大腿支撑杆22、前小腿支撑杆24、后大腿支撑杆23、后小腿支撑杆25。前大腿支撑杆22、前小腿支撑杆24、后大腿支撑杆23、后小腿支撑杆25与躯干控制腔4形成五杆结构；前大腿支撑杆22和后大腿支撑杆23的上端分别与躯干控制腔4一侧的舵机直接连接，前小腿支撑杆24和后小腿支撑杆25上端分别与前大腿支撑杆22和后大腿支撑杆23下端通过轴承连接，前小腿支撑杆24和后小腿支撑杆25下端通过轴承与电机腔6连接；舵机通过扭转前大腿支撑杆22和后大腿支撑杆23，将扭力力传递到前小腿支撑杆24和后小腿支撑杆25，围绕连接处的轴承转动，由于前小腿支撑杆24和后小腿支撑杆25下端固定在电机腔6两端轴承上，可以通过两端连接处的轴承转动控制机器人轮腿的升降，实现机器人的高度调整。
[0054]
具体地，电机腔6包括底盘电机7、轮毂27和轮胎26。底盘电机7设置在轮毂27内，轮胎26包裹在轮毂27外侧；躯干控制腔4主要包括4个舵机、主控制器、电池以及各种电气原件；4个舵机、主控制器、电池以及各种电气原件设置在躯干控制腔4内部，可以很好保护底盘相关硬件；主控制器与机器人的舵机、底盘电机控制板、飞控直接相连，控制机器人的地面模式的行进以及飞行模式核心指令的下达；舵机的作用是控制轮腿的升降和锁定，通过两侧舵机的协同转动，实现轮腿的膝部轴承为圆心的旋转运动，进而让轮腿伸长和收缩。主控器由电池供电，电池与电源电性连接，电池为机器人各装置供电。
[0055]
具体地，机器人在地面模式行进时，可以通过控制轮腿式底盘2的舵机，实现机器人的高度控制，从而获得更多层次的视角或者隐蔽自身；机器人在飞行模式下，可以通过调整轮腿式底盘2，收缩轮腿机构5，最大限度减小机器人体积，降低碰撞概率，抬高机器人重心，提升机器人飞行稳定性。
[0056]
具体地，当机器人需要切换地面模式与飞行模式时，通过控制舵机向外扭转前大腿支撑杆22和后大腿支撑杆23，从而带动前小腿支撑杆24、后小腿支撑杆25和电机腔6，实现机器人轮腿的收缩，减小机器人飞行体积；当机器人切换为地面模式时，通过逆向过程实现机器人降落，展开轮腿。
[0057]
机器人地面模式的自平衡采用超螺旋滑模控制方法，该方法包括以下步骤：
[0058]
步骤1、对基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人地面模式进行动力学建模，获得包含三个自由度和两个驱动力矩[c
l cr]
t
系统动力学方程；
[0059]
步骤2、由于机器人的平衡只涉及位置和倾角，重新整理系统方程，获得包含状态向量q＝[x φ]
t
和控制向量u＝[c
l cr]
t
的矩阵方程；
[0060]
步骤3、选取新的状态向量，将机器人动力学模型写成标准柯西形式的微分方程组；
[0061]
步骤4、根据超螺旋滑模算法解算控制量。
[0062]
具体地，步骤1的动力学方程基于牛顿力学对机器人进行运动学分析和建模；下面式中x为机器人位移，φ为机器人质心倾角，δ为机器人与x轴夹角，即绕y轴旋转角度，m为左、右轮质量，r为左、右轮半径，dw为左、右轮间距，m为机器人上身总质量，j
ω
为左、右轮对转轴的转动惯量，j
δ
为车体绕y轴的转动惯量，j
p
为车体绕z轴的转动惯量，l为机器人质心到基坐标系z轴的距离为l，c
l
和cr为左、右底盘电机输出对车轮的转矩，x
l
和xr为左、右轮的位移，f
l
和fr为地面与左、右轮的摩擦力，h
l
和hr为左、右轮与车体相互作用力在x轴方向的分量，v
l
和vr为左、右轮与车体相互作用力在y轴方向的分量，c
l
和cr为左、右电机输出对车轮的转矩，x
p
和y
p
为车体质心在x轴方向和y轴方向位移，θ
l
和θr为左、右绕z轴转过的角度。
[0063]
机器人位移与左右轮位移关系：
[0064][0065]
机器人绕y轴旋转角度与左右轮位移关系：
[0066][0067]
其中：
[0068]
x
l
＝rθ
l
[0069]
xr＝rθr由上述四个关系式可得：
[0070][0071][0072][0073][0074]
牛顿力学建模如下：
[0075]
①
左轮力学方程：
[0076]
左轮沿x轴方向：
[0077][0078]
左轮绕z轴转动：
[0079][0080]
②
右轮力学方程：
[0081]
右轮沿x轴方向：
[0082][0083]
右轮绕z轴转动：
[0084][0085]
③
机器人车体力学方程：
[0086]
车体沿x轴方向：
[0087][0088]
车体绕过质心的z轴平行轴旋转：
[0089][0090]
车体沿y轴方向：
[0091][0092]
车体绕y轴转动：
[0093][0094]
上述部分参数计算如下：
[0095]
x
p
＝x+lsinφ
[0096]yp
＝lcosφ
[0097]
消去中间变量得到两轮自平衡机器人的非线性模型如下所示：
[0098][0099][0100][0101]
从该动力学模型可以看出，机器人在地面行进模式下具有三个自由度和两个驱动力矩[c
l cr]
t
，所以此时机器人的动力学模型是一个典型的二阶欠驱动系统。
[0102]
具体地，步骤2中，机器人的平衡只涉及位置和倾角的控制，因此本文选取步骤1非线性模型中前两式组成子系统，并为其设计超螺旋滑模控制器。重新整理两式，将其写成如下形式：
[0103]
[0104][0105]
取状态向量q＝[x φ]
t
，控制向量u＝[c
l cr]
t
，则侦察机器人在地面行进模式下的动力学模型可写成如下形式：
[0106][0107]
其中，其中，
[0108]
具体地，步骤3中，取组成新的状态向量x，可以将机器人动力学模型写成标准柯西形式的微分方程组，具体如下：
[0109][0110]
其中，为了方便表示，将f(x)和g(x)分别略写为f和g。
[0111]
具体地，步骤4中，根据超螺旋算法，对于二阶非线性系统，若滑模面s满足以下方程：
[0112][0113]
则系统是稳定的。其中，λ和α均为设计参数，设定为
[0114][0115][0116]
其中λ,α,ω1,γ1,ε,β均大于零。
[0117]
设状态量x1的期望值为x
1d
，则各个跟踪误差的表达式为：
[0118][0119]
定义滑模面为：
[0120]
s＝ce1+e2[0121]
求导，可得：
[0122][0123]
显然，滑模面s满足条件时的控制量为
[0124][0125]
本发明的基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人能在不同任务要求和环境下实现飞行模式和地面模式的自由切换；机器人飞行模式能提供更高视角的图像信息，同时能让机器人具备更强的越障能力和高层建筑侦察能力；地面模式能让机器人迅速接近目标侦察，在保证机器人具备腿式机器人较强地面越障能力的同时，兼具轮式机器人的移动能力。机器人以地面模式为主要行进模式，通过飞行模式飞行进入侦察地点，然后切换地面模式进行侦察，当遇到高台、沟壑、台阶等无人通过的障碍物时，切换飞行模式通过。这使机器人的侦察范围大大扩大，同时很大程度上提高了整体续航。机器人的轮腿式结构在地面模式可以让机器人通过升降自身底盘实现摄像头视角的变化，获得多层次视角；在飞行模式下，可以通过收起机器人轮腿，尽可能减小机器人整体体积，降低碰撞概率。
[0126]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0127]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人，其特征在于，包括多涵道式飞行机架(1)和轮腿式底盘(2)，所述多涵道式飞行机架(1)采用四旋翼结构，实现机器人的稳定飞行；所述轮腿式底盘(2)固定在多涵道式飞行机架(1)下方，采用连杆相连接的轮腿式结构，实现机器人的地面行进和高度调节。2.根据权利要求1所述的一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人，其特征在于，所述多涵道式飞行机架(1)包括多涵道式飞行机架龙骨(3)；所述多涵道式飞行机架龙骨(3)两侧对称分布有四个涵道保护罩(11)，飞行电机(12)设置在涵道保护罩(11)的中心转轴上，与螺旋桨(13)直接相连；所述螺旋桨(13)采用三叶螺旋桨，所述涵道保护罩(11)直径比螺旋桨(13)旋转直径大；在飞行模式下，所述涵道保护罩(11)用于保护机器人螺旋桨(13)，避免其在碰撞中损坏，影响正常飞行；在地面模式下，能够在碰撞中起到缓冲作用，避免机器人本体核心部件受到损坏。3.根据权利要求2所述的一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人，其特征在于，所述多涵道式飞行机架龙骨(3)内部设置有飞行控制腔(14)，所述飞行控制腔(14)内部设置有飞行控制器、电子调速器、gps；所述飞行控制器电性连接于电子调速器，所述电子调速器电性连接于飞行电机(12)；所述多涵道式飞行机架龙骨(3)前端设置有摄像装置(8)，所述摄像装置(8)包括调节螺丝(15)和图传镜头(16)，所述图传镜头(16)通过两侧调节螺丝(15)固定在飞行机架龙骨(3)上，所述摄像装置(8)通过图传镜头(16)实时传输图像信息。4.根据权利要求3所述的一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人，其特征在于，轮腿式底盘(2)包括躯干控制腔(4)、轮腿机构(5)和电机腔(6)；所述躯干控制腔(4)下方设置有两组轮腿机构(5)，每组轮腿机构(5)底部设置有电机腔(6)；所述电机腔(6)包括底盘电机(7)、轮毂(27)和轮胎(26)；所述底盘电机(7)设置在轮毂(27)内，轮胎(26)包裹在轮毂(27)外侧；所述躯干控制腔(4)内部设置有四个舵机、主控制器、电池和底盘电机驱动板；所述主控制器电性连接于四个舵机、底盘电机(7)的驱动板和飞行控制器，主控制器用于控制机器人地面模式的行进以及飞行模式核心指令的下达。5.根据权利要求4所述的一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人，其特征在于，所述轮腿机构(5)包括前大腿支撑杆(22)、前小腿支撑杆(24)、后大腿支撑杆(23)、后小腿支撑杆(25)；所述前大腿支撑杆(22)、前小腿支撑杆(24)、后大腿支撑杆(23)、后小腿支撑杆(25)和躯干控制腔(4)形成五杆结构；所述前大腿支撑杆(22)和后大腿支撑杆(23)的上端分别与躯干控制腔(4)一侧的舵机直接连接；前小腿支撑杆(24)和后小腿支撑杆(25)上端分别与前大腿支撑杆(22)和后大腿支撑杆(23)下端通过轴承连接；前小腿支撑杆(24)和后小腿支撑杆(25)下端通过轴承与电机腔(6)连接；当机器人在地面模式需要进行升降时，通过控制舵机扭转前大腿支撑杆(22)和后大腿支撑杆(23)，将扭力传递到前小腿支撑杆(24)和后小腿支撑杆(25)，围绕连接处的轴承转动，由于前小腿支撑杆(24)和后小腿支撑杆(25)下端固定在电机腔(6)两端轴承上，能够通过两端连接处的轴承转动控制轮腿升降，实现机器人高度变化；当机器人需要切换地面模式与飞行模式时，通过控制舵机向外扭转前大腿支撑杆(22)和后大腿支撑杆(23)，从而带动前小腿支撑杆(24)、后小腿支撑杆(25)和电机腔(6)，实现机器人轮腿的收缩，减小机器人飞行体积；当机器人切换为地面模式时，通过逆向过程实现机器人降落，展开轮腿。
6.根据权利要求5所述的一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人，其特征在于，主控制器对轮腿机构(5)进行自平衡控制时，采用基于超螺旋滑模的控制方法，包括以下步骤：步骤1、对基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人地面模式进行动力学建模，获得包含三个自由度和两个驱动力矩[c
l c
r
]
t
的系统动力学方程；步骤2、由于机器人的平衡只涉及位置和倾角，重新整理系统方程，获得包含状态向量q＝[x φ]
t
和控制向量u＝[c
l c
r
]
t
的矩阵方程；步骤3、选取新的状态向量，将机器人动力学模型写成标准柯西形式的微分方程组；步骤4、根据超螺旋滑模算法解算控制量。7.根据权利要求6所述的一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人，其特征在于，步骤1中的动力学方程具有三个自由度和[c
l c
r
]
t
两个驱动力矩，所述动力学模型是一个典型的二阶欠驱动系统，其动力学模型如下：力学模型是一个典型的二阶欠驱动系统，其动力学模型如下：力学模型是一个典型的二阶欠驱动系统，其动力学模型如下：式中，x为机器人位移，φ为机器人质心倾角，为质心倾角的角速度，δ为机器人与x轴夹角，即绕y轴旋转角度，m为左、右轮质量，r为左、右轮半径，d
w
为左、右轮间距，m为机器人上身总质量，j
ω
为左、右轮对转轴的转动惯量，j
δ
为车体绕y轴的转动惯量，j
p
为车体绕z轴的转动惯量，l为机器人质心到基坐标系z轴的距离为l，c
l
和c
r
为左、右底盘电机输出对车轮的转矩。8.根据权利要求7所述的一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人，其特征在于，步骤2中，由于机器人的平衡只涉及位置和倾角的控制，所以选取包含x，φ，c
l
和c
r
的方程，重新整理成以下形式：的方程，重新整理成以下形式：取状态向量q＝[x φ]
t
，控制向量u＝[c
l c
r
]
t
，则侦察机器人在地面行进模式下的动力学模型写成如下形式：其中，
9.根据权利要求8所述的一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人，其特征在于，步骤3中，取组成新的状态向量x，将机器人动力学模型写成标准柯西形式的微分方程组，具体如下：其中，g(x)＝-m(q)-1
e(q)；为了方便表示，将f(x)和g(x)分别略写为f和g。10.根据权利要求9所述的一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人，其特征在于，步骤4中，对于二阶非线性系统，若滑模面s满足以下方程：则系统是稳定的；其中，λ和α均为设计参数，设定为则系统是稳定的；其中，λ和α均为设计参数，设定为其中λ,α,ω1,γ1,ε,β均大于零；设状态量x1的期望值为x
1d
，则各个跟踪误差的表达式为：定义滑模面为：s＝ce1+e2求导，得：显然，在滑模面s可满足条件时，控制量为

技术总结
本发明公开了一种基于超螺旋滑模的轮腿式空地一体化侦察机器人。多涵道式飞行机架采用四旋翼结构，轮腿式底盘固定在多涵道式飞行机架下方，采用连杆相接的轮腿式结构。多涵道式飞行机架用于实现机器人的飞行功能，实时传输高清图像信息，同时辅助机器人进行越障；轮腿式底盘通过舵机控制连杆实现机器人高度变化，以提供地面侦察的多层次视角；轮腿空地一体化侦察机器人可以自由切换飞行和地面模式两种形态，机器人以地面模式为主要行动模式，辅以飞行模式进行越障和飞行进入，极大提高了机器人的续航；轮腿式底盘的自平衡控制采用基于超螺旋滑模控制的方法，具有较强的鲁棒性，可用于多种侦察任务，弥补现有机器人体系的不足。足。足。


技术研发人员：吴益飞 于嘉伦 郭健 陈庆伟 李胜 徐宇蒙 彭一凡 胥瑞 马琦伟 刘文娟
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/7/4