CN111959825A - 一种火星星表低空抛投机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人控制技术领域，公开了一种火星星表低空抛投机器人及其控制方法，火星星表低空抛投机器人由延展拓扑机器人和缓冲包覆层组成；缓冲包覆层由4片圆形铝蜂窝夹层缓冲垫和6个爆炸螺栓组成；用于实现延展拓扑机器人的软着陆，着陆后引爆螺栓解锁；延展拓扑机器人基于变几何桁架的一种闭链移动连杆机构，由6个可伸缩连杆、4个节点以及电控系统组成。本发明分散控制策略具有可扩展性，根据将来需要增加更多的连杆和结点组成更复杂的结构，只需要重新进行步态规划，而不必重新改写整个控制系统。本发明复杂地形适应能力强，具备跨越沟壑、攀岩、越障的能力；运动灵活，具有一定的变形能力；可深入洞穴、狭缝等恶劣环境进行探测。

Description

一种火星星表低空抛投机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，尤其涉及一种火星星表低空抛投机器人及其控制方法。

背景技术

在空间探索陆地环境中，存在常规移动平台无法到达的地方，如行星表面的大尺度沟壑、狭窄洞穴等，而这些场合具有潜在的科学研究价值。因此对这些环境进行科学探索和研究成为科学技术发展和人类社会进步的需要。

在对火星的不断探索和研究的过程中，对火星的地质状况已经有了初步的了解，若想继续深入了解火星的地质活动，就需要对火山活动多发地带进行探索。但是火山活动造就的地理环境往往是时变的和不稳定的，结构类型单一的空间机器人已经不能满足多变的火山活动地带的探测需求。这就需要对现有的空间机器人的构型和移动方式进行改进，研发出能够及时根据所探测的地质结构改变自身探测方式的空间机器人，从而高效率地进行探测。

在探索太空活动中已经投入运用的探测机器人中，轮式运动方式和腿式运动方式是大部分探测机器人的运动方式。轮式运动的机器人只能在地面较为缓和的地势环境中进行探测工作，遇到稍微复杂点的地形就无法工作。腿式运动的机器人能够工作和通过的地势环境范围更大，更加灵活。但是腿式机器人的操作系统复杂，导致机器人不能及时反应，运动缓慢。为了克服这两种机器人存在的缺点，科学家研发出球形移动的机器人。球形机器人的结构是完全对称的，即使在崎岖的地势上，也不会倾倒，而且可以在任何情况下及时转弯。球形机器人的外观比起另两种机器人来说要小很多，可以到达的地势环境范围更大。但是球形机器人也有无法探测的地势环境，例如斜坡，不能及时固定等。

现有应用于陆地环境探测的各类移动机器人：

现有应用于陆地环境探测的各类移动机器人中：

(1)腿式移动机器人，对地面的适应能力强；自由度多，控制系统复杂，运动迟缓；

(2)轮式机器人，运动形式较为固定，通过一般平坦地面能力尚可，较难通过崎岖路面。

(3)球形机器人，不存在“倾覆”的问题，可以轻易地实现零角度转弯和全方位行走，便于小型化，对于平坦无台阶路面适应性能比较强，但是控制系统比较复杂，并且容易受外界环境的干扰，对于斜坡等特殊路况静态稳定性不强。

(4)履带式，关节多，可靠性低；相对笨重，灵活性比较差，较轮式机器人反应速度慢。

(5)蛇形蠕动式自由度多，控制系统复杂，承载能力小，运动速度较慢。

以上类型移动机构的通过性能均不够强大，克服一般障碍尚可，难以通过前述极端复杂恶劣的路面障碍，亟需探索具备超强障碍通过性能的新概念构型。更重要的是，对于空间探索任务，除了陆地环境复杂多变外，探测任务也具有多样性，现有单一结构功能的系统机构往往不能满足不同种类的任务需求；而简单的功能叠加组合导致系统过于臃肿，成本过高，对于有限的探索任务尚可，但对于小行星群带乃至整个宇宙进行系统的探测将是一个可望不可及的任务。因此，小到陆地环境的多样性和未知性，大到任务需求的多样性，都亟需新的机构系统形式来适应环境和需求的变化，增强系统的探测能力，而不增加系统的成本，使得无限宇宙的探测成为可能。

针对以上探测机器人局限性，研制了一种多面体探测机器人，具有一定变形能力和多种运动形式。它能够改变自身的形状向目标方向运动，具有更高的机动性、隐蔽性和超强的越障能力，能够适应行星探测复杂陆地环境的需要。同时，该机器人是一种基于可寻址可重构技术的可变几何桁架机构，由多个如图4所示的四面体单元经过组合构成，每个四面体基本单元由六根可伸缩的刚性连杆和四个节点组成。通过协调一致地改变各伸缩杆的长度，使得整个机构按照需要改变形状，机器人重心发生变化从而实现运动。通过多个四面体基本单元的组合可以形成一重、四重、五重、六重、八重和十二重等多面体机器人系统。随着四面体基本单元的增加，机器人系统也相对变的更为复杂，自由度随之增加，能实现的运动步态也越多。

变拓扑延展拓扑机器人由多个四面体基本构造单元经过组合构成，每个四面体基元由六根可伸缩的刚性杆件和各杆的连接点(节点)组成。通过协调一致地改变伸缩杆的长度，使得整个桁架系统按照需要改变形状。通过变形可实现步行、翻转、攀爬、蠕动等多种运动步态，更适于通过壕沟、洞穴、乱石、峭壁等极端复杂的路面障碍。因此变拓扑多面体机器人具有更强的适应性，从而使其在星球探索大有用武之地。另一方面，变拓扑多面体机器人可以通过伸缩和重构实现不同探测平台的骨干结构，而且由于杆件的伸缩特性，变形空间的连续性，其精度不会受到基本单元粒度大小的限制，因此能够满足不同探测任务变化的需求。一个具体空间探索任务场景。首先把结构单元组装成变拓扑多面体结构单元阵列。在太空中降落时通过变成扁平的四面体网格形状，使得微型化学推进器有效地分布在网格的周围，通过变形调整微型推进器控制姿态；在星球表面移动时，根据地形尺寸、粗糙度和形状决定所需的步态。在经过崎岖的地形时，变成蛇形进行蠕动，滑过高低不平的地面；变形为天线，把采集到的数据信号发回地球。变拓扑多面体机器人可变几何桁架机构的多节点、多连杆特征无论对机械结构还是控制电子都提出了新的挑战，因此可以在机械结构、控制电子以及机电集成方面作为一个新的复杂系统的原理模型验证平台探寻新的科学理论方法及其应用，从而赋予了其远远超越移动机构自身内容的科学意义。总之，该机器人的研究将对机构学、自动控制、人工智能等诸多学科的发展具有重大科学研究价值。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的机器人移动机构的通过性能均不够强大，克服一般障碍尚可，难以通过极端复杂恶劣的路面障碍。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种火星星表低空抛投机器人及其控制方法。

本发明是这样实现的，一种火星星表低空抛投机器人的控制系统，其特征在于，所述火星星表低空抛投机器人的控制系统包括：延展拓扑机器人、缓冲包覆层；

缓冲包覆层，由4片圆形铝蜂窝夹层缓冲垫和6个爆炸螺栓组成；用于实现延展拓扑机器人的软着陆，着陆后引爆螺栓解锁；

延展拓扑机器人，基于变几何桁架的一种闭链移动连杆机构，由6个可伸缩连杆、4个节点以及电控系统组成。

所述所述伸缩杆由三级丝杠和四级护罩组成，一级护罩为支撑，其余三级可依次从一级护罩中伸出，四级护罩之间可沿轴向相对运动，不可绕轴线转动；伸缩杆分为单向驱动和双向驱动两种方案，双向驱动由两个相同的单向伸缩结构组成；

所述节点由节点支架、3个虎克铰链、电器保护壳、外层缓冲垫组成，单个节点质量为300g；机器人节点内部布置有载荷设备和控制模块；

所述电控系统由着陆器主控计算机、多个分布式连杆控制单元组成。

一种使用权利要求1所述的火星星表低空抛投机器人的控制系统制备的火星星表低空抛投机器人，其特征在于，所述火星星表低空抛投机器人由6个可伸缩连杆、4个节点以及控制通讯系统组成；

可伸缩连杆，由两个相同的单向伸缩结构组成，镜像并排布置，通过电机可分别驱动两个部分的中心丝杠转动，并将旋转运动转化为护罩的直线运动，从而使得伸缩机构可以沿两个方向同步伸缩。由三级丝杠-螺母和四级护罩组成，可实现伸缩杆的大展收比。采用此种构型可将电机、控制器、电池等模块集成在伸缩杆的中间部分，避免杆的两端与连接结点干涉。

节点，机器人的节点不仅要在运动过程中充当“足”的角色，还要在内部布置载荷设备和控制模块。作为延展拓扑机器人的“脚”，必须确保机器人在做各种机动时伸缩杆不会与地面碰撞。同时，节点作为机器人的一部分，应该尽可能减少对机器人整体结构造成一些不确定的影响。

机器人电控系统，主要由中央计算机、无线通讯模块、电池测量模块、核心计算和连杆控制单元组成。

四面体探测机器人的质量参数如表1所示。

表1四面体探测机器人的质量参数

本发明的另一目的在于提供一种火星星表低空抛投机器人的控制方法，所述火星星表低空抛投机器人的控制方法包括：

步骤一，着陆器主控计算机向每一个连杆发送随时间连杆长度变化的指令序列，广播一个通用的GO指令到整个结构体；

步骤二，在分布式连杆控制单元接受到GO指令后，各个连杆在自身控制器的控制下开始按照序列进行伸展和收缩；

步骤三，在运动过程中，主控计算机查询状态，获得当前各个连杆的长度、倾角信息，进而获得连杆的空间状态；同时对电机电流、连杆PCB板的温度进行状态监控，以便能够保证系统的正常运行，在发生故障时，进行故障诊断。

进一步，所述火星星表低空抛投机器人的控制方法采用机器人分散控制策略，分别对机器人的各个连杆进行控制；

分散控制两层结构：着陆器上层主控计算机输出控制指令到每个连杆微控制器，每一个微控制器都控制一个独立的连杆；

主控计算机发送步态控制命令到连杆微控制器，连杆微控制器查询运动步态库，确定当前运动步态，通过相应控制律向连杆驱动单元发送控制命令；

着陆器上层主控计算机根据机器人当前位置和目标位置进行轨迹规划，确定下一步运动步态，同时主控计算机还对连杆状态进行监控。

进一步，所述火星星表低空抛投机器人的控制方法的两种独立连杆控制律包括：

(1)PID控制：

连杆之间存在解耦，每个连杆、关节的运动都会对其他关节产生影响，通过误差补偿控制律进行抑制；

(2)分散自适应控制：

第1项：自适应跟踪和部分扰动项补偿项的合成；

第2项：自适应位置-速度反馈控制器；

第3项：位置-速度-加速度前馈控制器；

在处理器中需要上述分散自适应控制器的离散化形式，具体每个采样时刻N的离散化形式如下：

控制律中的增益部分离散化形式如下：

编程实现时将控制律增益编制成一个函数，供程序在每个采样时刻重复调用以实时生成控制器增益。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供的火星星表低空抛投机器人复杂地形适应能力强，具备跨越沟壑、攀岩、越障的能力；运动灵活，具有一定的变形能力；可深入洞穴、狭缝等恶劣环境进行探测。本发明提供的火星星表低空抛投机器人可配合火星巡视器完成火星探测任务。探测过程中，由巡视器根据情况，释放多面体机器人，充分发挥轮式机器人与多面体机器人的优点，扩大勘测范围。另外，火星星表低空抛投机器人可为巡视器实现未知区域路况勘测，提升巡视器存活率。通过携带相机、土壤分析仪、样品采集装置等不同设备完成不同探测任务；通过携带微型天线，信号接收和发射装置，来实现恶略环境下的通讯与导航等功能，实现卫星、着陆器及巡视器之间的通讯。

本发明采用机器人分散控制策略，分别对机器人的各个连杆进行控制，控制结构简单便于实现。与现有的分散控制策略和集中控制策略相比，本发明具有如下优点：

1)本发明便于故障检测和排除。一个连杆工作失效，应该是该连杆的控制器出现了问题，而对于集中的控制结构，这一点是不明显的。

2)本发明便于并行处理。每个微控制器负责一个连杆，可以同时处理信号并给驱动电机发送命令。

3)本发明分散控制针对某一个关节/连杆进行控制，它将其他关节对本关节的作用作为扰动项来处理，因此不需要系统所有的模型信息，对系统的不确定性具有很强的鲁棒性。本发明分散控制策略具有可扩展性，根据将来需要增加更多的连杆和结点组成更复杂的结构，只需要重新进行步态规划，而不必重新改写整个控制系统。

附图说明

图1是本发明实施例提供的火星星表低空抛投机器人结构组成示意图。

图2是本发明实施例提供的火星星表低空抛投机器人的可伸缩连杆组成示意图。

图3是本发明实施例提供的火星星表低空抛投机器人节点示意图。

图4是本发明实施例提供的火星星表低空抛投机器人控制系统结构示意图。

图5是本发明实施例提供的火星星表低空抛投机器人火星探测任务示意图。

图6是本发明实施例提供的机器人部署过程示意图。

图7是本发明实施例提供的火星星表低空抛投机器人具体工作流程图。

图8是本发明实施例提供的火星星表低空抛投机器人系统结构图。

图9是本发明实施例提供的缓冲包覆层结构示意图。

图10是本发明实施例提供的火星星表低空抛投机器人结构示意图。

图11是本发明实施例提供的单向驱动和双向驱动两种方案结构示意图。

图12是本发明实施例提供的单向驱动和双向驱动两种方案立体结构示意图；

图中：图(a)是单向驱动方案；图(b)是双向驱动方案。

图13是本发明实施例提供的伸缩杆示意图；

图中：图(a)是伸缩杆内部结构示意图；图(b)是伸缩杆展开过程示意图。

图14是本发明实施例提供的护罩示意图；

图中：图(a)是护罩结构示意图；图(b)是护罩连接示意图。

图15是本发明实施例提供的四级护罩状态示意图；

图中：图(a)是四级护罩收拢状态示意图；图(b)是四级护罩展开状态示意图。

图16是本发明实施例提供的火星星表低空抛投机器人的节点示意图。

图17是本发明实施例提供的地面探索移动机器人运动控制的步态规划和执行两个层次示意图。

图18是本发明实施例提供的单重变拓扑火星星表低空抛投机器人翻滚时节点变动示意图；

图中：(a)单重变拓扑火星星表低空抛投机器人采用了6根连杆，4个节点，各节点均可着地；(b)翻滚时必须保证三个节点同时与地面接触。

图19和20是本发明实施例提供的连杆运动控制算法设计图。

图21是本发明实施例提供的分散自适应控制示意图。

图22是本发明实施例提供的系统控制框图。

图23是本发明实施例提供的电控系统组成示意图。

图24是本发明实施例提供的单片机最小系统设计示意图。

图25是本发明实施例提供的控制系统电机的运动控制的实现示意图。

图26是本发明实施例提供的SPI接口时参考电路图。

图27是本发明实施例提供的无线通信模块结构示意图。

图28是本发明实施例提供的多连杆网络拓扑示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种火星星表低空抛投机器人及其控制方法，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细的描述。

考虑的运载火箭搭载质量限制，拟采用一重四面体探测机器人(如图1所示)方案。

四面体结构是一种冗余甚至超冗余的变几何桁架结构，整体刚度大，易于提高抗跌落能力和承载能力；杆系结构本身重量轻，易于提高加速能力；延展拓扑机器人不需要区分腿、足、身体等部位，可以同时实现步行、滚动、转动、攀爬、滑行、蠕动等多种步态，能有效提高复杂地面障碍的通过能力；四面体机构本身由刚性构件组成，可以通过自重构和群重构等形成各种形状，具有绝佳的通过性和隐蔽性。

四面体探测机器人由6个可伸缩连杆、4个节点以及控制通讯系统成。

可伸缩连杆，由两个相同的单向伸缩结构组成，镜像并排布置，如图2所示，通过电机可分别驱动两个部分的中心丝杠转动，并将旋转运动转化为护罩的直线运动，从而使得伸缩机构可以沿两个方向同步伸缩。由三级丝杠-螺母和四级护罩组成，可实现伸缩杆的大展收比。采用此种构型可将电机、控制器、电池等模块集成在伸缩杆的中间部分，避免杆的两端与连接结点干涉。

节点，机器人的节点(如图3所示)不仅要在运动过程中充当“足”的角色，还要在内部布置载荷设备和控制模块。作为延展拓扑机器人的“脚”，必须确保机器人在做各种机动时伸缩杆不会与地面碰撞。同时，节点作为机器人的一部分，应该尽可能减少对机器人整体结构造成一些不确定的影响。

机器人电控系统，如图4所示，主要由中央计算机、无线通讯模块、电池测量模块、核心计算和连杆控制单元组成。

四面体探测机器人的质量参数如表1所示。

表1四面体探测机器人的质量参数

如图5所示，本发明实施例提供的火星星表低空抛投机器人在火星探测过程中与卫星、火星着陆器、火星巡视器配合来完成星表探测任务，探测任务包括：独立作为巡视器、配合火星巡视器扩展探测区域、完成火星探测任务、携带不同设备完成探测任务。

如图6所示，本发明实施例提供的机器人部署过程包括：软着陆、爆炸螺栓解锁、伸缩杆外伸推开外层包覆、伸缩杆收回卸掉包覆层。

如图7所示，本发明实施例提供的火星星表低空抛投机器人具体工作过程包括以下步骤：

S101，主机规划指令控制：由着陆器主控计算机向每一个连杆发送随时间连杆长度变化的指令序列，然后广播一个通用的“GO”指令到整个结构体。

S102，连杆分散自主控制：在分布式连杆控制单元接受到“GO”指令后，各个连杆在自身控制器的控制下开始按照序列进行伸展和收缩。

S103，实时状态监控：在运动过程中，主控计算机查询状态，获得当前各个连杆的长度、倾角信息，进而获得连杆的空间状态；同时对电机电流、连杆PCB板的温度进行状态监控，以便在发生故障时进行故障诊断。

如图8所示，本发明实施例提供的一种火星星表低空抛投机器人系统由延展拓扑机器人和缓冲包覆层组成。

缓冲包覆层(如图9所示)，由4片圆形铝蜂窝夹层缓冲垫和6个爆炸螺栓组成；用于实现延展拓扑机器人的软着陆，着陆后引爆螺栓解锁。包覆层部分相关参数如表1所示。

表1包覆层部分相关参数

铝蜂窝密度	27.82kg/m<sup>3</sup>
		铝蜂窝抗压强度	10Kpa
单缓冲垫质量	400g
		单爆炸螺栓质量	40g
缓冲包覆层质量	1840g

延展拓扑机器人(如图10所示)，基于变几何桁架的一种闭链移动连杆机构，由6个可伸缩连杆、4个节点以及电控系统组成。

如图13-图15所示，延展拓扑机器人组成中，伸缩杆由三级丝杠和四级护罩组成，一级护罩为支撑，其余三级可依次从一级护罩中伸出，四级护罩之间可沿轴向相对运动，不可绕轴线转动。伸缩杆分为单向驱动和双向驱动两种方案(如图11-12和表2所示)，双向驱动由两个相同的单向伸缩结构组成。

表2单向驱动和双向驱动两种方案对比

如图16所示，火星星表低空抛投机器人组成中，所述节点由节点支架、3个虎克铰链、电器保护壳、外层缓冲垫组成，单个节点质量为300g。机器人节点内部布置有载荷设备和控制模块，确保机器人在做各种机动时伸缩杆不会与地面碰撞，并具有缓冲能力。

火星星表低空抛投机器人组成中，所述电控系统由着陆器主控计算机、多个分布式连杆控制单元组成。

火星星表低空抛投机器人系统的质量统计如表3所示。

如图17所示，地面探索移动机器人的运动控制包括步态规划和执行两个层次，这两个层次的实现是在路径规划层次基础上进行的。

如图18(a)所示，单重变拓扑火星星表低空抛投机器人采用了6根连杆，4个节点，各节点均可着地，可以实现翻转步态。如图18(b)所示翻滚时必须保证三个节点同时与地面接触，协调收缩伸展第四个节点相关的三根杆件，使系统的重心在与地面接触的三角形之外，从而实现系统以地面一根杆件(包括两个节点)为轴，另外两个节点绕轴的转动，最终实现翻滚。

采用机器人分散控制策略，分别对机器人的各个连杆进行控制。连杆运动控制算法设计如图19-20所示。

如图19所示，分散控制两层结构：着陆器上层“主控”计算机输出控制指令到每个连杆微控制器，每一个微控制器都控制一个独立的连杆。

如图20所示，主控计算机发送步态控制命令到连杆微控制器，连杆微控制器查询运动步态库，确定当前运动步态，通过相应控制律向连杆驱动单元发送控制命令。

着陆器上层主控计算机根据机器人当前位置和目标位置进行轨迹规划，确定下一步运动步态，同时主控计算机还对连杆状态进行监控。

进一步，所述两种独立连杆控制律包括：

(1)PID控制：

连杆之间存在解耦，每个连杆、关节的运动都会对其他关节产生影响，可以通过误差补偿控制律进行抑制。

(2)分散自适应控制(如图21所示)

第1项：自适应跟踪和部分扰动项补偿项的合成；

第2项：自适应位置-速度反馈控制器；

第3项：位置-速度-加速度前馈控制器。

在处理器中需要上述分散自适应控制器的离散化形式，具体每个采样时刻N的离散化形式如下：

控制律中的增益部分离散化形式如下：

编程实现时将上述控制律增益编制成一个函数，供程序在每个采样时刻重复调用以实时生成控制器增益。系统控制框图如图22所示。

如图23所示，变拓扑火星星表低空抛投机器人样机由着陆器主控计算机采用无线通信指令的方式控制连杆伸缩，并且监控机器人状态。

主控计算机部署在着陆器上，通过无线通信来实现连杆的伸缩控制。连杆控制单元由多个模块组成，具体实现的功能如下：

1)运动控制：主要是电机驱动控制，2个电机独立进行连杆两个方向的收缩和展开驱动控制；

2)无线通信：利用wifi无线通信实现与着陆器主控计算机的通信；

3)能源及其管理：为整个连杆控制单元供电，通过电池电平测量，监控电池状态，并且可自动关断；

4)状态监控：监控电机电流大小；通过温度传感器监控电路板温度；通过各个连杆的长度、倾角信息，进而获得连杆的空间状态。

进一步，所述电控系统具体工作过程包括：

(1)主机规划指令控制：由着陆器主控计算机向每一个连杆发送随时间连杆长度变化的指令序列，然后广播一个通用的“GO”指令到整个结构体。

(2)连杆分散自主控制：在分布式连杆控制单元接受到“GO”指令后，各个连杆在自身控制器的控制下开始按照序列进行伸展和收缩。

(3)实时状态监控：在运动过程中，主控计算机查询状态，获得当前各个连杆的长度、倾角，进而获得连杆的空间状态；另外也对电机电流、连杆PCB板的温度进行状态监控，以便能够保证系统的正常运行，在发生故障时，能够进行故障诊断。

进一步，所述原理样机电控系统的具体设计包括：

(1)控制器选型

选用飞思卡尔公司的微控制器MC9S12XS128实现连杆控制器的核心计算。PWM模块输出控制电机，SPI接口与传感器连接读取传感器数据，通过WiFi模块与主计算机通信，ADC对传感器模拟信号转换。MC9S12XS128单片机最小系统包括电源及滤波电路、复位电路、晶振电路、写入器接口电路。单片机最小系统设计如图24所示。

(2)驱动电机选型及其控制系统

1)电机应满足以下主要技术参数：

扭矩：≧0.09Nm；

转速：≧360rpm；

外径：≦20mm；

长度：≦80mm。

表3是符合上述技术参数要求的几款行星齿轮减速箱的参数，符合上述技术参数要求的组合电机参数要求，在表的最后两排列出。

表3符合技术参数要求的行星齿轮减速箱的参数

根据表3中计算折算到电机上的转速和转矩要求，所选择的减速箱匹配的电机型号列于表4中。

表4减速箱匹配的电机型号

2)选择编号为318006的EC13无刷直流电机及编号为352366的行星齿轮减速箱。

3)无刷直流电机驱动控制器

控制电路是无刷直流电机正常运行并实现各种调速功能的核心，需完成以下功能：

①对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正反转信号和停止信号进行逻辑综合，给驱动电路提供各个功率开关管的斩波信号和通断信号，实现电机的正反转和制动控制。

②产生随转速变化的PWM调制信号，实现电机的开环调速。

③对电机进行转矩和转速的闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。

④各种故障保护功能，如短路保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护。

如图25所示，控制系统采用三闭环(即位置环、速度环、电流环)结构实现电机的运动控制。

(3)传感器系统

1)轴加速度计选型及测量电路

倾斜检测是测量相对于重力的倾斜度或角度变化，利用重力矢量及其在坐标轴上的投影来确定倾斜角。

倾斜检测中需要用到低g加速度计，ADI公司的MEMS加速度计系列产品在功率、噪声、带宽和温度规格方面在业内处于领先地位，可以精确检测和测量加速度、倾斜、冲击、和振动等。

根据系统需求，原理样机具体选择ADI公司的MEMS加速度计ADXL345。

所述ADXL345特性包括：

①可以对高达±16g的加速度进行高分辨率(13位)测量。

②ADXL345可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。

③具有高分辨率(4mg/LSB)，能够测量约0.25°的倾角变化。

④数字输出数据为16位二进制补码格式，可以通过SPI(3线或4线)或者数字接口访问，节省系统成本和电路板面积。

⑤电源转换内置多种功能，活动/非活动检测、自由落体检测均在内部完成，无需主机处理器执行任何计算。

⑥内置32级FIFO存储缓冲器可以减轻主机处理器的负担，起到简化算法和省电的作用。

(4)电源供电系统

1)电池选型(见表5)

选择18650型锂电池，锂电池标称电压为3.7V，充满电的时候是4.2V。将三节圆柱形的锂电池串联给整个连杆系统供电。

表5电池选型

材料	锂离子电池
		晶牌	松下
型号	18650
		规格	φ18×65(mm)
容量	3100mAh
		内阻	45mΩ
重量	45.5g
		充放电次数	1000次以上

2)电源转换

系统中，单片机工作电压为5V、电机驱动电压为9V及各传感器模块供电电压有5V、3.3V各不相同，因此需要电压转换模块，将电池输出电压分多路转换到9V、5V和3.3V。

LM2576系列的稳压器是单片集成电路，能提供降压开关稳压器的各种功能，能驱动3A的负载，具有优异的线性和负载调整能力。具体参考下图选择该系列不同型号的芯片，可以将电压调整为9V、5V等。

由于电机电流较大，在应用中应该采用单独的电压变换电路对电机供电。

(5)通信系统

1)无线通信协议选型(见表6)

拓扑四面体翻滚机器人需要通过无线通信技术实现着陆器主控计算机和连杆控制器的数据传输。

根据对蓝牙、Zigbee、WiFi等协议的比较分析，为适应进一步扩展，增加载荷，能兼容图像、视频等传输，具体选择了WiFi通信方式。

Wifi具有通信速度高，传输距离远等特点，能同时满足我们现阶段及将来的扩展要求。

表6无线通信协议选型

2)通信芯片选型及电路设计

原理样机选择美国Redpine Signals公司的Connect-io-n系列产品，为高度集成的单流802.11nWiFi模组，该模块集成了WiFi模块终端所需要的全部协议栈，与主微控制器系统通过SPI/UART进行连接。

具体选择RS9110-N-11-22型号的芯片，参考电路图如26图所示。

3)无线网络组成

如图27-28所示，WiFi无线网络包括两种类型的拓扑形式：基础网(Infra)和自组网(Adhoc)。本发明采用基础网拓扑方式。

基础网(Infra)：是由中心节点创建，众多站点加入所组成的无线网络，这种网络的特点是中心节点是整个网络的中心，网络中所有的通信都通过中心节点来转发完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种火星星表低空抛投机器人的控制系统，其特征在于，所述火星星表低空抛投机器人的控制系统包括：延展拓扑机器人、缓冲包覆层；

缓冲包覆层，由4片圆形铝蜂窝夹层缓冲垫和6个爆炸螺栓组成；用于实现延展拓扑机器人的软着陆，着陆后引爆螺栓解锁；

延展拓扑机器人，基于变几何多变桁架的一种多闭链移动连杆机构，由6个可延展连杆、4个节点以及电控系统组成。

2.如权利要求1所述火星星表低空抛投机器人的控制系统，其特征在于，所述所述伸缩杆由三级丝杠和四级护罩组成，一级护罩为支撑，其余三级可依次从一级护罩中伸出，四级护罩之间可沿轴向相对运动，不可绕轴线转动；伸缩杆分为单向驱动和双向驱动两种方案，双向驱动由两个相同的单向伸缩结构组成；

所述节点由节点支架、3个虎克铰链、电器保护壳、外层缓冲垫组成，单个节点质量为300g；机器人节点内部布置有载荷设备和控制模块；

所述电控系统由着陆器主控计算机、多个分布式连杆控制单元组成。

3.一种使用权利要求1所述的火星星表低空抛投机器人的控制系统制备的火星星表低空抛投机器人，其特征在于，所述火星星表低空抛投机器人由6个可延展连杆、4个节点以及控制通讯系统组成；

可延展连杆，由两个相同的单向伸缩结构组成，镜像并排布置，通过电机可分别驱动两个部分的中心丝杠转动，并将旋转运动转化为护罩的直线运动；由三级丝杠-螺母和四级护罩组成；采用此种构型可将电机、控制器、电池等模块集成在伸缩杆的中间部分；

节点，机器人的节点不仅要在运动过程中充当“足”的角色，还要在内部布置载荷设备和控制模块；确保机器人在做各种机动时伸缩杆不会与地面碰撞，尽可能减少对机器人整体结构造成不确定影响；

机器人电控系统，主要由中央计算机、无线通讯模块、电池测量模块、核心计算和连杆控制单元组成。

4.一种如权利要求3所述火星星表低空抛投机器人的控制方法，其特征在于，所述火星星表低空抛投机器人的控制方法包括：

步骤一，着陆器主控计算机向每一个连杆发送随时间连杆长度变化的指令序列，广播一个通用的GO指令到整个结构体；

步骤二，在分布式连杆控制单元接受到GO指令后，各个连杆在自身控制器的控制下开始按照序列进行伸展和收缩；

步骤三，在运动过程中，主控计算机查询状态，获得当前各个连杆的长度、倾角信息，进而获得连杆的空间状态；同时对电机电流、连杆PCB板的温度进行状态监控，以便能够保证系统的正常运行，在发生故障时，进行故障诊断。

5.如权利要求3所述火星星表低空抛投机器人的控制方法，其特征在于，所述火星星表低空抛投机器人的控制方法采用机器人分散控制策略，分别对机器人的各个连杆进行控制；

分散控制两层结构：着陆器上层主控计算机输出控制指令到每个连杆微控制器，每一个微控制器都控制一个独立的连杆；

主控计算机发送步态控制命令到连杆微控制器，连杆微控制器查询运动步态库，确定当前运动步态，通过相应控制律向连杆驱动单元发送控制命令；

着陆器上层主控计算机根据机器人当前位置和目标位置进行轨迹规划，确定下一步运动步态，同时主控计算机还对连杆状态进行监控。

6.如权利要求3所述的火星星表低空抛投机器人的控制方法，其特征在于，所述变拓扑火星星表低空抛投机器人的控制方法的两种独立连杆控制律包括：

(1)PID控制：

连杆之间存在解耦，每个连杆、关节的运动都会对其他关节产生影响，通过误差补偿控制律进行抑制；

(2)分散自适应控制：

第1项：自适应跟踪和部分扰动项补偿项的合成；

第2项：自适应位置-速度反馈控制器；

第3项：位置-速度-加速度前馈控制器；

在处理器中需要上述分散自适应控制器的离散化形式，具体每个采样时刻N的离散化形式如下：

控制律中的增益部分离散化形式如下：

编程实现时将控制律增益编制成一个函数，供程序在每个采样时刻重复调用以实时生成控制器增益。

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