CN111137082A - 单涵道陆空跨域机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种单涵道陆空跨域机器人及其控制方法，属于两栖机器人技术领域，本发明提供的单涵道陆空跨域机器人通过设置姿态平衡系统的控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，进而通过扭矩控制量对机身进行姿态调整；通过两个轮足舵机控制轮足装置的腿部连杆和上腿关节，提升了轮足系统的灵活性和稳定性；根据环境识别系统对行进环境的判断，对轮足系统、涵道风扇系统以及飞行控制系统进行相应调整，使得机器人进入不同的行进模式，从而实现陆空跨域的快速切换的技术效果。

Description

单涵道陆空跨域机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及两栖机器人技术领域，具体说，涉及一种单涵道陆空跨域机器人及其控制方法。

背景技术

随着科技的进步和发展，越来越多的应急救援机器人或者无人机应用于灾区侦察或搜救等活动中。涵道式无人机由于其结构紧凑，易于携带，使用安全，适合在无明显干扰的环境(城市、桥梁、野外)中使用，具有广阔的应用前景。然而，目前缺少一种既可以在野外复杂环境中(如峭壁、山洞、树林)进行飞行搜救，又可以在相对复杂的地面空间(如沟壑，水坑)内进行越障和移动探测的陆空两栖机器人。

现有技术中的一种陆空两栖机器人(申请号为201410716895.9)，采用仿生化设计并将陆行装置与飞行装置固定连接。路行装置采用仿生结构的不完全轮，简化自动倾斜器以及共轴双桨方式的机械结构，同时实现了越障和飞行，但其存在运动效率低、平稳度不足，可靠性差的问题。

一种陆空两栖双环变形机器人(申请号为201510349634.2)，包括：相套并在一径向上的两端铰接以旋转配合的一外圆环和一内圆环；运动效率得以提升并且可以通过折叠变形内圆环风道方向调整飞行姿态或者陆地行进姿态；但是由于飞行中姿态和方向调整是通过飞控电机实现，而飞控电机易受高速旋翼产生的陀螺力和环境干扰力的影响，导致机器人存在可控性差的弊端。

另外，还公开了一种可变形多模态陆空飞行机器人(申请号为201510431995.1)，包括本体、自动驾驶仪、翼臂装置、轮毂装置和吸附装置，能实现行走、飞行、吸附三种运动模式。其结构稳定得到了一定程度的提升，但是，存在弊端如下：在进行陆空模式转换时动作程序较复杂导致了转换速度较慢，从而无法适应需要快速转换陆空模式的工作场景。

因此，亟需一种适应性高且陆空模式转换迅速的单涵道陆空跨域机器人。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种单涵道陆空跨域机器人及其控制方法，该单涵道陆空跨域机器人具有高稳定性以及陆空模式的快速切换的特点，为灾难救援或者战场提供一种辅助的侦查装置。

为了实现上述目的，本发明提供一种单涵道陆空跨域机器人包括机体、设置在机体中心的涵道风扇系统、环境识别系统、飞行控制系统、姿态平衡系统、动力系统以及设置在机体下方的轮足系统；其中，

轮足系统包括至少两个轮足装置，每个轮足装置均包括用于驱动轮足装置旋转的轮足舵机一以及用于驱动轮足装置行进的轮足舵机二；

飞行控制系统包括电子调速器、飞控舵机、控制电子调速器和飞控舵机的飞行控制板以及通过飞控舵机控制的副翼；副翼设置在涵道风扇系统出风口位置的正下方；其中，气流被涵道风扇系统吸入后，流经副翼表面并产生压差，从而实现飞行控制系统对涵道风扇系统的姿态进行调整；

姿态平衡系统包括控制力矩陀螺群，控制力矩陀螺群为金字塔构型的四个控制力矩陀螺，通过控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，通过扭矩控制量对机身进行姿态调整；

动力系统，用于为涵道风扇系统、环境识别系统、姿态平衡系统、飞行控制系统和轮足系统提供动力。

进一步，优选的，轮足装置还包括胶轮、轮足驱动电机、电机固定板、下腿关节、深沟球轴承、腿部连杆和上腿关节，其中，

胶轮与轮足驱动电机的输出端相连接，轮足驱动电机通过电机固定板固定在下腿关节上，下腿关节上端连接腿部连杆，腿部连杆与轮足舵机二的输出轴通过曲柄相连接，下腿关节上设置有深沟球轴承，上腿关节的上端连接轮足舵机一的输出轴，上腿关节的下端连接深沟球轴承，且上腿关节罩设在腿部连杆的外侧。

进一步，优选的，获得X轴的扭矩控制量的表达式如下：

其中，

τ_x，τ_y，τ_z分别为X、Y、Z三个轴方向上的扭矩，

为动量矩矢量对时间的求导，H为初始的角动量，β为控制力矩陀螺安装角，sβ表示sinβ，cβ表示cosβ，δ为X轴正半轴上第一个控制力矩陀螺的转角。

进一步，优选的，机体包括上盖、外壳体和设置在外壳体内部的短框架，上盖内设置有环境识别系统，涵道风扇系统与外壳体通过短框架相连接。

进一步，优选的，涵道风扇系统包括风扇外壳、单涵道风扇和风扇驱动装置；单涵道风扇包括叶唇、扇叶和顶尖，单涵道风扇的入风口设置有可拆卸的叶唇，扇叶为可分瓣式轴流风扇扇叶并通过顶尖固定，进一步的，涵道风扇的出风口处设置有反螺旋固定叶片。

进一步，优选的，飞行控制系统中副翼为四组，其中，每组副翼包括通过连接板并联的3个翼型，翼型的支撑截面形状为NACA0018；

其中，四组副翼分别通过飞控舵机一、飞控舵机二、飞控舵机三以及飞控舵机四控制。

进一步，优选的，轮足驱动电机夹固在两个电机固定板中间。

进一步，优选的，轮足驱动电机的输出轴连接的胶轮数量为两个。

为了实现上述目的，本发明还保护一种单涵道陆空跨域机器人及其控制方法的控制方法，方法通过上述单涵道陆空跨域机器人实现，方法包括：

通过环境识别系统对行进环境进行判定，根据判定的情况启动相应的行进模式；并通过姿态平衡系统的控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，通过扭矩控制量对机身进行姿态调整；通过轮足系统控制轮足舵机一以及轮足舵机二，进而调整轮足装置的状态；通过飞行控制系统中的飞控舵机控制副翼，进而调整涵道风扇系统的姿态；其中，

当判定出现高低不平的路段时，调整轮足装置变形至最高尺寸以顺利通过高低不平的路段；

当判定回归平坦路段时，调整轮足装置回归正常行进状态；

当判定出现无法移动越过的障碍时，启动飞行模式飞过障碍，并调整轮足装置收缩至最小尺寸，以减少飞行阻力；

当判定到达设定着陆地点后，降低涵道风扇系统转速，并使轮足装置回归正常行进状态准备着陆。

进一步，优选的，获得所述Z轴的扭矩控制量的表达式如下：

其中，

τ_x，τ_y，τ_z分别为X、Y、Z三个轴方向上的扭矩，

为动量矩矢量对时间的求导，H为初始的角动量，β为控制力矩陀螺安装角，sβ表示sinβ，cβ表示cosβ，δ为X轴正半轴上第一个控制力矩陀螺的转角。

如上所述，本发明一种单涵道陆空跨域机器人及其控制方法，通过两个轮足舵机控制轮足装置，使得轮足装置根据环境状况调整其结构模式，实现了高稳定性以及陆空模式的快速切换；其有益效果如下：

1)通过设置姿态平衡系统的控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，进而通过扭矩控制量对机身进行姿态调整；

2)通过两个轮足舵机控制轮足装置的腿部连杆和上腿关节，提升了轮足系统的灵活性和稳定性；

3)根据环境识别系统对行进环境的判断，对轮足系统、涵道风扇系统以及飞行控制系统进行相应调整，使得机器人进入不同的行进模式，从而实现陆空跨域的快速切换。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1是本发明的一个实施例所述的单涵道陆空跨域机器人的结构示意图；

图2是本发明的一个实施例所述的单涵道陆空跨域机器人的结构剖面图；

图3是本发明的一个实施例所述的单涵道陆空跨域机器人的结构的仰视图；

图4是本发明的一个实施例所述的单涵道陆空跨域机器人的又一结构示意图；

图5是在高低不平路况时轮足装置的状态示意图；

图6是在平坦路况时轮足装置的状态示意图；

图7是飞行状态时轮足装置的状态示意图；

图8是轮足系统的俯视图；

图9是本发明的一个实施例所述的单涵道陆空跨域机器人的姿态平衡系统的安装位置示意图；

图10是本发明的另一个实施例所述的单涵道陆空跨域机器人的副翼的结构示意图。

其中，1、涵道风扇系统；2、机体；3、动力系统；4、轮足系统；5、飞行控制系统；6、环境识别系统；7、姿态平衡系统；101、叶唇；102、扇叶；103、顶尖；104、涵道风扇电机；105、风扇外壳；106、反螺旋固定叶片；201、上盖；202、外壳体；203、短框架；401、胶轮；402、轮足驱动电机；403、电机固定板；404、下腿关节；405、深沟球轴承；406、腿部连杆；407、曲柄；408、上腿关节；409、轮足舵机二；410、轮足舵机一；501、飞行控制板；502、电子调速器；503、飞控舵机；504、副翼；505、连接板；601、摄像头；701、控制力矩陀螺。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图对本发明的各个实施例进行详细描述。

图1-图4对单涵道陆空跨域机器人的结构进行了整体展示。其中，具体地说，图1为本发明的一个实施例所述的单涵道陆空跨域机器人的结构；图2为本发明的一个实施例所述的单涵道陆空跨域机器人的结构剖面；图3为本发明的一个实施例所述的单涵道陆空跨域机器人的结构的仰视图；图4为本发明的一个实施例所述的单涵道陆空跨域机器人的又一结构。如图1-图4所示，一种单涵道陆空跨域机器人，包括机体2、设置在机体2中心的涵道风扇系统1、环境识别系统6、飞行控制系统5、姿态平衡系统7、动力系统3以及设置在机体2下方的轮足系统4；其中，轮足系统4包括至少两个轮足装置，每个轮足装置均包括用于驱动轮足装置旋转的轮足舵机一410以及用于驱动轮足装置行进的轮足舵机二409。

如图2和图4所示，机体2包括上盖201、外壳体202和设置在外壳体202内部的短框架203，上盖201内设置有环境识别系统6，涵道风扇系统1与外壳体202通过短框架203相连接。

在一个具体的实施例中，为了便于视觉探测，环境识别系统6设置在机体2的前方；上盖201上开有两个圆孔，两个圆孔内设只有环境识别系统6的摄像头1，该摄像头1用于采集行进环境数据，并将环境数据传输给无人机底面监控站系统，然后无人机底面监控站系统在进行数据处理，从而对行进环境做出判断。在具体的实施场景中，环境识别系统6通过基于FPGA开发版和MT9V011摄像头模块及其他元器件组成的电路板来实现。

具体地说，外壳体202内部具有安装固定结构，用于固定内部的环境识别系统6和动力系统3等。外壳体202外部装有安装肋，用于固定安装轮足系统4、飞行控制系统5和姿态平衡系统7。短框架203内部通过螺钉与风扇外壳105连接，短框架203外部通过圆柱销与外壳体202连接。

在一个具体的实施例中，涵道风扇系统1包括风扇外壳105、单涵道风扇和风扇驱动装置104；其中，风扇驱动装置104即为涵道风扇电机104。需要说明的是，采用单涵道风扇不仅可以满足机器人的动力要求，还具备结构紧凑、可靠性高、机动灵巧的优势，可以进一步满足机器人近地、近人场景的安全需求。

单涵道风扇包括叶唇101、扇叶102和顶尖103，单涵道风扇的入风口设置有可拆卸的叶唇101，扇叶102为可分瓣式轴流风扇扇叶并通过顶尖103固定，进一步的，为了抵消涵道风扇的自旋力矩，涵道风扇的出风口处设置有反螺旋固定叶片106。在具体的实施过程中，涵道风扇的扇叶102和风扇外壳105采用工程塑料材质，而内部风扇驱动装置104采用F5070-KV650高速电机。

需要说明的是，在采用单涵道风扇前飞时，涵道阻力较大，涵道风扇若作为升力装置仅适用于强调悬停和低速飞行性能的飞行器；在具体的实施过程中，为了实现纵向配平，整机重心垂直位置需要高于涵道阻力作用中心。

飞行控制系统5包括电子调速器502、飞控舵机503、控制电子调速器502和飞控舵机503的飞行控制板501以及通过飞控舵机503控制的副翼504；副翼504设置在涵道风扇系统1出风口位置的正下方；其中，气流被涵道风扇系统1吸入后，流经副翼504表面并产生压差，从而实现飞行控制系统5对涵道风扇系统1的姿态进行调整。

姿态平衡系统7包括控制力矩陀螺群701，控制力矩陀螺群701为金字塔构型的四个控制力矩陀螺，通过控制力矩陀螺群701获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，通过扭矩控制量对机身2进行姿态调整。

动力系统3，用于为涵道风扇系统1、环境识别系统6、姿态平衡系统7、飞行控制系统5和轮足系统4提供动力。其中，在一个具体实施例中动力系统3由4个3S锂电池和1个2S锂电池组成，动力系统采用占用结构空间较小的锂电池模组，进一步的提升了机器人的机动灵巧的优势。

图5-图8对轮足系统的结构进行了整体展示。其中，具体地说，图5为在高低不平路况时轮足装置的状态示意；图6为在平坦路况时轮足装置的状态；图7为飞行状态时轮足装置的状态；图8为轮足系统的俯视图；如图5-图8所示，每个轮足装置还包括胶轮401、轮足驱动电机402、电机固定板403、下腿关节404、深沟球轴承405、腿部连杆406和上腿关节408，其中，

胶轮401与轮足驱动电机402的输出端相连接，轮足驱动电机402通过电机固定板403固定在下腿关节404上，下腿关节404上端连接腿部连杆406，腿部连杆406与轮足舵机二409的输出轴通过曲柄407相连接，下腿关节404上设置有深沟球轴承405，上腿关节408的上端连接轮足舵机一410的输出轴，上腿关节408的下端连接深沟球轴承405，且上腿关节408罩设在腿部连杆406的外侧。

其中，下腿关节404上设置有深沟球轴承405，下腿关节404内部安装深沟球轴承(型号691-3)405，并且下腿关节404的内孔与深沟球轴承405的外径过盈配合安装，以使得下腿关节404围绕深沟球轴承405做旋转运动。

总的来说，一个轮足装置包括2个胶轮401，1个轮足驱动电机402以及2个轮足舵机。而一个轮足系统包括3组轮足装置。

在一个具体的实施例中，轮足驱动电机402夹固在两个电机固定板403中间，使得轮足驱动电机402安装更加牢固的同时容易拆卸。进一步的，为了增加轮足系统的稳定性，每一个轮足驱动电机402的输出轴连接两个胶轮401。

需要说明的是，控制腿部腿部连杆406和上腿关节404的轮足舵机一410、轮足舵机二409两个舵机互不干涉，但是共同作用会改变轮足系统的姿态。以准备着陆的场景为例，通过一侧轮足舵机二409的输出轴调整上腿关节的转动角度；同时，可调节另一侧轮足舵机一410的输出轴控制曲柄407旋转，曲柄407带动腿部连杆406做曲柄连杆运动，最终实现轮足装置的转动，从而调节腿部的姿态以应对工况的变化。

具体地说，就是先通过环境识别系统中对行进环境进行判定，根据判定的情况启动相应的行进模式；通过轮足系统控制轮足舵机一410以及轮足舵机二409，进而调整轮足装置的状态以应对工况的变化；其中，

当判定出现高低不平的路段时，调整轮足装置变形至最高尺寸(即轮足装置呈现站立姿态)以顺利通过高低不平的路段；

当判定回归平坦路段时，调整轮足装置回归正常行进状态；

当判定出现无法移动越过的障碍时，启动飞行模式飞过障碍，并调整轮足装置收缩至最小尺寸(即轮足装置呈现飞行姿态)，以减少飞行阻力；

当判定到达设定着陆地点后，降低涵道风扇系统转速，并使轮足装置回归正常行进状态准备着陆。

综上所述，轮足舵机一410直接驱动上腿关节408做旋转运动。轮足舵机二409通过输出轴驱动曲柄407，继而带动腿部连杆406运动。腿部连杆406驱动下腿关节404围绕安装轴承405旋转，即控制了腿部关节的旋转运动。两个旋转运动可以实现轮足系统发生多个姿态变化，如图5(站立姿态)、图6(正常姿态)、图7(飞行姿态)。

图10是本发明的另一个实施例所述的单涵道陆空跨域机器人的副翼的结构示意图。如图10所示，飞行控制系统5包括电子调速器502、飞控舵机503、控制电子调速器502和飞控舵机503的飞行控制板501以及通过飞控舵机503控制的副翼504；副翼504设置在涵道风扇系统1出风口位置的正下方；其中，气流被涵道风扇系统1吸入后，流经副翼504表面并产生压差，从而实现飞行控制系统5对涵道风扇系统1的姿态进行调整。

需要说明的是，飞控控制板501包括陀螺仪、加速计、磁力计、气压传感器、GPS单元、IMU惯性测量单元(英文：Inertial measurement unit，简称IMU)和控制单元；其中，陀螺仪用于感应机器人的转动角速度，并将其传递给控制单元；加速计用于感应机器人的方位，并将其传递给控制单元；磁力计用于感应机器人的高度，并将其传递给控制单元；GPS单元，用于感应机器人的坐标，并将其传递给控制单元；而控制单元分别和上述陀螺仪、加速计、磁力计、气压传感器、GPS单元相连，还分别与电子调速器502和飞控舵机503进行电气相连。总的来说，控制单元用于根据陀螺仪、加速计、磁力计、气压传感器、惯性测量单元、GPS单元的感应信号控制四个舵机及多个调速器工作。

在一个具体的实施例中，飞行控制系统5中副翼504为四组，其中，每组副翼504包括通过连接板并联的3个翼型，翼型的支撑截面形状为NACA0018；其中，四组副翼504分别通过飞控舵机一、飞控舵机二、飞控舵机三以及飞控舵机四控制。四组副翼504会分别随着飞控舵机一、飞控舵机二、飞控舵机三以及飞控舵机四的变化角度一起旋转。如果飞控舵机503旋转一定角度之后，由涵道风扇的扇叶102吸入的气流会流经副翼504表面。由于翼型的作用，会使副翼504表面产生不同的流速，从而产生压差，继而导致整体涵道风扇发生姿态变化。空气气流流经副翼表面示意图10中线条所示。

图9是本发明的一个实施例所述的单涵道陆空跨域机器人的姿态平衡系统的安装位置示意图；如图9所示，姿态平衡系统7包括控制力矩陀螺群701，控制力矩陀螺群701为金字塔构型的四个控制力矩陀螺，通过控制力矩陀螺群701获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，通过扭矩控制量对机身2进行姿态调整。所述姿态控制系统7的4个控制力矩陀螺701安装在外框架内部，并且安装角为β。在一个具体的实施过程中，较佳的安装角度为β＝53.13°。

其中，需要说明的是，控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscopes，CMG),是航天器上常用的姿态调整执行器，原理是当给一个陀螺垂直于其旋转轴的扭矩时,会产生一个垂直于旋转轴且垂直于扭距轴的进动力矩。

飞行过程中，受到风力等不可控因素干扰可能会导致机身姿态不稳，飞行中可以对飞行控制系统5中的惯性测量单元进行实时检测数据，当沿着X轴的角度变化超出了阈值，通过X轴的扭矩控制量对机身2进行姿态调整。

通过控制力矩陀螺群701获得X轴的扭矩控制量的表达式如下：

其中，

τ_x，τ_y，τ_z分别为X、Y、Z三个轴方向上的扭矩，

为动量矩矢量对时间的求导，H为初始的角动量，β为控制力矩陀螺安装角，sβ表示sinβ，cβ表示cosβ，δ为X轴正半轴上第一个控制力矩陀螺的转角。

获得上述表达式的过程如下：

设X轴正半轴上第一个控制力矩陀螺的转角为δ₁，X轴的负半轴上的第三个控制力矩陀螺的转角为δ₃，Y轴上的两个控制力矩陀螺暂且不动。

那么令：δ₁＝δ,δ₃＝-δ,

根据动量矩定理和牛顿欧拉方法可以得到矩阵方程：

由上式可知，通过上述方法的控制可以得到X轴的扭矩控制量，而不改变其他轴的转角姿态。

同理，当沿着Z轴的角度变化超出了阈值，可以通过Z轴的扭矩控制量对机身2进行姿态调整。

那么令：δ₁＝δ,δ₃＝δ,

根据动量矩定理和牛顿欧拉方法可以得到矩阵方程：

对于Y轴的调整，也可采用同上的原理获得。

本发明还包含一种单涵道陆空跨域机器人的控制方法，方法通过上述单涵道陆空跨域机器人实现，方法包括：

通过环境识别系统6中对行进环境进行判定，根据判定的情况启动相应的行进模式；并通过姿态平衡系统7的控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，通过扭矩控制量对机身2进行姿态调整；通过轮足系统4控制轮足舵机一410以及轮足舵机二409，进而调整轮足装置的状态；通过飞行控制系统5中的飞控舵机503控制副翼504，进而调整涵道风扇系统1的姿态；其中，

当判定出现高低不平的路段时，调整轮足装置变形至最高尺寸以顺利通过高低不平的路段；

当判定回归平坦路段时，调整轮足装置回归正常行进状态；

当判定出现无法移动越过的障碍时，启动飞行模式飞过障碍，并调整轮足装置收缩至最小尺寸，以减少飞行阻力；

当判定到达设定着陆地点后，降低涵道风扇系统1转速，并使轮足装置回归正常行进状态准备着陆。

在一个具体的实施场景中，当单涵道陆空跨域机器人行进过程中，出现难以移动越过的障碍(如挡板、大树等障碍物)时，环境识别系统6中的摄像头模块1会锁定目标并进行图像比对运算，同时通过数传模块将数据传递给无人机底面监控站系统。无人机底面监控站系统会根据设定规则，改变机器人轮足系统的形态，将指令发送给飞行控制系统5和涵道风扇系统1，启动飞行模式越过。

当飞行模式进行过程中，单涵道陆空跨域机器人会首先按照设定规则的高度飞行，而当环境识别系统6的摄像头模块601识别到前方无障碍时，通过控制四个舵机进而控制副翼504调整姿态，进入前飞模式，并调整轮足装置收缩至最小尺寸，以减少飞行阻力。

所述机器人越障飞行后，当环境识别系统6的摄像头模块601检测到环境安全后，缓慢降低涵道风扇系统1转速使机器人着陆。

当陆地行走过程中，遇到复杂、崎岖的地形时，环境识别系统6的摄像头模块601检测到高低不平路况(如岩石、砂烁路段)时，通过每个轮足系统中的2个轮足舵机控制的2个转动关节，进而控制轮足结构变形。当行走中出现高低不平的时，可以进行利用驱动腿部两个舵机进行连杆机构切换，即使得轮足系统整体变高；而当机器人在平坦陆地行走时，可使机构回归到运动常态。

对于本发明提供的全消偏型单涵道陆空跨域机器人通过设置姿态平衡系统的控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，进而通过扭矩控制量对机身进行姿态调整；通过两个轮足舵机控制轮足装置的腿部连杆和上腿关节，提升了轮足系统的灵活性和稳定性；根据环境识别系统对行进环境的判断，对轮足系统、涵道风扇系统以及飞行控制系统进行相应调整，使得机器人进入不同的行进模式，从而实现陆空跨域的快速切换的技术效果。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但应注意，在不背离权利要求限定的本发明的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的结构，权利要求的组成元件可以用任何功能等效的元件替代。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，包括机体、设置在所述机体中心的涵道风扇系统、环境识别系统、飞行控制系统、姿态平衡系统、动力系统以及设置在所述机体下方的轮足系统；其中，

所述轮足系统包括至少两个轮足装置，每个轮足装置均包括用于驱动所述轮足装置旋转的轮足舵机一以及用于驱动所述轮足装置行进的轮足舵机二；

所述飞行控制系统包括电子调速器、飞控舵机、控制所述电子调速器和所述飞控舵机的飞行控制板以及通过所述飞控舵机控制的副翼；所述副翼设置在所述涵道风扇系统出风口位置的正下方；其中，气流被所述涵道风扇系统吸入后，流经所述副翼表面并产生压差，从而实现所述飞行控制系统对所述涵道风扇系统的姿态进行调整；

所述姿态平衡系统包括控制力矩陀螺群，所述控制力矩陀螺群为金字塔构型的四个控制力矩陀螺，通过所述控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，通过所述扭矩控制量对所述机身进行姿态调整；

所述动力系统，用于为所述涵道风扇系统、所述环境识别系统、所述姿态平衡系统、所述飞行控制系统和所述轮足系统提供动力。

2.根据权利要求1所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，所述轮足装置还包括胶轮、轮足驱动电机、电机固定板、下腿关节、深沟球轴承、腿部连杆和上腿关节，其中，

所述胶轮与所述轮足驱动电机的输出端相连接，所述轮足驱动电机通过所述电机固定板固定在所述下腿关节上，所述下腿关节上端连接所述腿部连杆，所述腿部连杆与所述轮足舵机二的输出轴通过曲柄相连接，所述下腿关节上设置有所述深沟球轴承，所述上腿关节的上端连接所述轮足舵机一的输出轴，所述上腿关节的下端连接所述深沟球轴承，且所述上腿关节罩设在所述腿部连杆的外侧。

3.根据权利要求1所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，获得所述X轴的扭矩控制量的表达式如下：

其中，

τ_x，τ_y，τ_z分别为X、Y、Z三个轴方向上的扭矩，

为动量矩矢量对时间的求导，H为初始的角动量，β为控制力矩陀螺安装角，sβ表示sinβ，cβ表示cosβ，δ为X轴正半轴上第一个控制力矩陀螺的转角。

4.根据权利要求1所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，机体包括上盖、外壳体和设置在所述外壳体内部的短框架，所述上盖内设置有环境识别系统，所述涵道风扇系统与所述外壳体通过所述短框架相连接。

5.根据权利要求1所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，所述涵道风扇系统包括风扇外壳、单涵道风扇和风扇驱动装置；所述单涵道风扇包括叶唇、扇叶和顶尖，所述单涵道风扇的入风口设置有可拆卸的叶唇，所述扇叶为可分瓣式轴流风扇扇叶并通过所述顶尖固定，进一步的，所述涵道风扇的出风口处设置有反螺旋固定叶片。

6.根据权利要求1或5所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，所述飞行控制系统中所述副翼为四组，其中，每组副翼包括通过连接板并联的3个翼型，所述翼型的支撑截面形状为NACA0018；

其中，所述四组副翼分别通过飞控舵机一、飞控舵机二、飞控舵机三以及飞控舵机四控制。

7.根据权利要求2或6所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，所述轮足驱动电机夹固在两个电机固定板中间。

8.根据权利要求7所述的单涵道陆空跨域机器人，其特征在于，所述轮足驱动电机的输出轴连接的胶轮数量为两个。

9.单涵道陆空跨域机器人的控制方法，其特征在于，所述方法利用上述权利要求1-8中任一项所述的单涵道陆空跨域机器人实现，方法包括：

通过环境识别系统对行进环境进行判定，根据判定的情况启动相应的行进模式；并通过姿态平衡系统的控制力矩陀螺群获得X轴、Y轴和Z轴的扭矩控制量，通过所述扭矩控制量对机身进行姿态调整；通过轮足系统控制轮足舵机一以及轮足舵机二，进而调整轮足装置的状态；通过飞行控制系统中的飞控舵机控制副翼，进而调整涵道风扇系统的姿态；其中，

当判定出现高低不平的路段时，调整所述轮足装置变形至最高尺寸以顺利通过高低不平的路段；

当判定回归平坦路段时，调整轮足装置回归正常行进状态；

当判定出现无法移动越过的障碍时，启动飞行模式飞过障碍，并调整轮足装置收缩至最小尺寸，以减少飞行阻力；

当判定到达设定着陆地点后，降低涵道风扇系统转速，并使轮足装置回归正常行进状态准备着陆。

10.根据权利要求9所述的单涵道陆空跨域机器人的控制方法，其特征在于，

获得所述Z轴的扭矩控制量的表达式如下：

其中，

τ_x，τ_y，τ_z分别为X、Y、Z三个轴方向上的扭矩，

为动量矩矢量对时间的求导，H为初始的角动量，β为控制力矩陀螺安装角，sβ表示sinβ，cβ表示cosβ，δ为X轴正半轴上第一个控制力矩陀螺的转角。

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