CN112678169B - 一种多模态飞行机器人及其变模态方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多模态飞行机器人及其变模态方法，属于飞行机器人技术领域，解决了现有飞行机器人飞行姿态单一、运动模态单一且不能实现多模态转换的问题。本发明包括封闭机体、第一矢量旋翼、第二矢量旋翼和车轮，第一矢量旋翼和第二矢量旋翼分别设于封闭机体的两端，车轮设于第一矢量旋翼和第二矢量旋翼的两端；飞行机器人能够以任意俯仰角在空中悬停，第一矢量旋翼能够绕设于第一矢量旋翼两端的车轮的中心轴线发生360°旋转，第二矢量旋翼能够绕设于第二旋翼两端的车轮的中心轴线发生360°旋转。本发明的多模态飞行机器人能够在飞行模态、地面爬行模态、爬墙模态之间转换，并且实现了飞行器以任意俯仰角悬停于空中时可以保持位置不变。

Description

一种多模态飞行机器人及其变模态方法

技术领域

本发明涉及飞行机器人技术领域，尤其涉及一种多模态飞行机器人及其变模态方法。

背景技术

当今世界上机器人技术高速发展，在军事、民用、工业领域涌现出了各种各样的机器人，包括地面爬行机器人、飞行机器人、爬墙机器人等。目前的机器人难以实现在飞行、地面爬行、爬墙等模态间的转换。其根本原因就是当前机器人机械结构、控制算法有很大局限性，导致可控自由度不够，因此造成了其飞行姿态单一，运动模态单一，因而不能实现多模态的转换。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种多模态飞行机器人及其变模态方法，用以解决现有飞行机器人飞行姿态单一、运动模态单一且不能实现多模态转换的问题。

一方面，本发明提供了一种多模态飞行机器人，包括封闭机体、第一矢量旋翼、第二矢量旋翼和车轮，第一矢量旋翼和第二矢量旋翼分别设于封闭机体的两端，车轮设于第一矢量旋翼和第二矢量旋翼的两端；

飞行机器人能够以任意俯仰角在空中悬停，第一矢量旋翼能够绕设于第一矢量旋翼两端的车轮的中心轴线发生360°旋转，第二矢量旋翼能够绕设于第二矢量旋翼两端的车轮的中心轴线发生360°旋转。

进一步地，多模态飞行机器人还包括电池、电源模块和机器人控制器，所述封闭机体的机身本体顶部设有凹槽，电池、电源模块和机器人控制器均设于凹槽内。

进一步地，多模态飞行机器人还包括机载处理器组件，机载处理器组件设在所述封闭机体的底部。

进一步地，所述机载处理器组件包括机载处理器和机载处理器安装盒，机载处理器设于机载处理器安装盒内，所述机载处理器安装盒上设有摄像头。

进一步地，所述第一矢量旋翼包括第一机臂、第一电机、第一螺旋桨、和第一舵机，第一电机与第一螺旋桨连接，并设于第一机臂上，第一舵机设于第一机臂的一端。

进一步地，所述第二矢量旋翼包括第二机臂、第二电机、第二螺旋桨、和第二舵机，第二电机与第二螺旋桨连接，并设于第二机臂上，第二舵机设于第二机臂的一端。

另一方面，本发明提供了一种多模态飞行机器人的变模态方法，使用上述的多模态飞行机器人，步骤包括：

步骤1：设定飞行机器人控制面坐标系与机体坐标系之间的旋转角θ，

步骤2：求解飞行机器人控制面坐标系与机体坐标系之间的旋转矩阵R₁；

步骤3：实时解算出飞行机器人机体坐标系到地球坐标系的旋转q；

步骤4：求解飞行机器人机体坐标系到地球坐标系的旋转矩阵R₂；

步骤5：求解飞行机器人控制面坐标系到地球坐标系的旋转矩阵R；

步骤6：求得飞行机器人控制面坐标系与地球坐标系之间的欧拉角；

步骤7：通过舵机控制两矢量旋翼同步倾转θ角度，并同步进行步骤8；

步骤8：通过串级PID闭环控制算法控制飞行机器人的电机转速，从而实现飞行机器人的姿态和位置控制。

进一步地，所述飞行机器人的飞行模态包括空中变姿态悬停模态、地面爬行模态和墙面爬行模态，且能够在空中变姿态悬停模态、地面爬行模态和墙面爬行模态转换。

进一步地，与所述飞行机器人重心重合且平行于螺旋桨平面的面为控制面。

进一步地，当机体竖直悬停于空中时，采用两个姿态控制串级PID算法分别控制控制面的滚转和偏航，并增加上方的矢量旋翼的平均推力，降低下方的矢量旋翼的平均推力。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)第一矢量旋翼和第二矢量旋翼均能够实现360°的旋转，使得飞行机器人能够以任意俯仰角在空中悬停，实现了机器人多模态、多姿态的运动；

(2)封闭机体呈x形，包括四个支爪，且位于同一侧的两个支爪连接成V形，并圆滑过渡，避免了应力集中，减轻封闭机体的同时，便于车轮的安装；

(3)机身本体设有凹槽，凹槽内设有电池限位块、第一螺钉柱、第二螺钉柱，将电池、电源模块和机器人控制器设于凹槽内，且使用H型连接架安装电源模块和机器人控制器，H型连接架设置的第三螺钉柱与机顶外壳连接，使得机身本体结构紧凑，且为电器元件提供了较为整洁的工作环境；

(4)机身本体的底部设有凸起，机载处理器安装盒的底部设有安装槽，机载处理器安装盒从凸起的一端滑动安装到凸起上，且与凸起紧密配合，此结构简单，不需要其他标准件，便于机载处理器安装盒的安放；

(5)当机体竖直悬停于空中时，采用两个姿态控制串级PID算法分别控制控制面的滚转和偏航，并增加上方的矢量旋翼的平均推力，降低下方的矢量旋翼的平均推力，避免了飞行机器人失去对机体俯仰的控制力矩；

(6)通过遥控设备设定控制面坐标系相对于地球坐标系的目标姿态角以及机体的目标高度就能控制飞行机器人以任意俯仰角悬停于空中，以及在空中自由运动；设定目标高度，可以控制机体的上下移动；设定控制面的目标俯仰角可以控制机体的前后运动；设定控制面的目标滚转角，可以控制机体的左右运动；设定控制面的目标偏航角，可以控制机体的偏航；

(7)当机体需要向前运动时，只需要将上方的矢量旋翼稍稍向前倾转，而不再与重力方向垂直，就可以让机体向前移动；当机体需要向后运动时，只需要将上方矢量旋翼稍稍向后倾转，而不再与重力方向垂直，就可以让机体向后移动，避免了机体竖直悬停于空中时禁用了飞行机器人的俯仰控制而导致的机器人无法前后运动。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的飞行机器人整体结构图(一)；

图2为本发明的飞行机器人整体结构图(二)；

图3为本发明的飞行机器人第一矢量旋翼去除第一法兰轴承的结构图；

图4为本发明的飞行机器人第二矢量旋翼去除第二法兰轴承的结构爆炸图；

图5为本发明的飞行机器人第二法兰轴承与第二机臂连接结构图；

图6为本发明的飞行机器人车轮安装示意图；

图7为本发明的飞行机器人电池安装示意图；

图8为本发明的飞行机器人电源模块和机器人控制器安装示意图；

图9为本发明的飞行机器人机载处理器安装示意图；

图10为本发明的飞行机器人0°俯仰角悬停示意图；

图11为本发明的飞行机器人45°俯仰角悬停示意图；

图12为本发明的飞行机器人-45°俯仰角悬停示意图；

图13为本发明的飞行机器人180°俯仰角悬停示意图；

图14为本发明的飞行机器人135°俯仰角悬停示意图；

图15为本发明的飞行机器人-135°俯仰角悬停示意图；

图16为本发明的飞行机器人垂直悬停示意图(一)；

图17为本发明的飞行机器人垂直悬停示意图(二)；

图18为本发明的飞行机器人垂直悬停示意图(三)；

图19为本发明的飞行机器人顶部附着在墙面示意图；

图20为本发明的飞行机器人底部附着在墙面示意图；

图21为本发明的飞行机器人管道内检测示意图；

图22为本发明的飞行机器人姿态控制串级PID闭环控制算法框图；

图23为本发明的飞行机器人位置控制串级PID闭环控制算法框图。

附图标记：

1-封闭机体；11-凹槽；111-电池限位块；112-第一螺钉柱；113-第二螺钉柱；12-机顶外壳；13-凸起；2-第一矢量旋翼；21-第一机臂；22-第一电机；23-第一螺旋桨；24-第一旋翼齿轮；25-第一传动齿轮；26-第一舵机；27-第一法兰轴承；3-第二矢量旋翼；31-第二机臂；32-第二电机；33-第二螺旋桨；34-第二旋翼齿轮；35-第二传动齿轮；36-第二舵机；37-第二法兰轴承；4-车轮；41-车轮安装座；5-电池；51-连接架；6-电源模块；7-机器人控制器；8-机载处理器组件；81-机载处理器；82-机载处理器安装盒；821-底壳；822-上盖；9-摄像头；

100-飞行机器人；200-地面；300-墙面；400-管道。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，如图1-图9所示，公开了一种多模态飞行机器人，包括封闭机体1、第一矢量旋翼2、第二矢量旋翼3和车轮4，第一矢量旋翼2和第二矢量旋翼3分别设于封闭机体1的两端，车轮4设于第一矢量旋翼2和第二矢量旋翼3的两端；

飞行机器人100能够以任意俯仰角在空中悬停，第一矢量旋翼2能够绕第一机臂21的中心轴线发生360°旋转，第二矢量旋翼3能够绕第二机臂31的中心轴线发生360°旋转。

与现有技术相比，本实施例提供的多模态飞行机器人，封闭机体的四角设有车轮，使得多模态机器人既能够飞行，又能够在陆地、墙面或者其他物体上爬行，同时，第一矢量旋翼和第二矢量旋翼均能够实现360°的旋转，使得飞行机器人能够以任意俯仰角在空中悬停，实现了机器人多模态(飞行、爬行)、多姿态(任意俯仰角)的运动。

需要说明的是，本实施例中，定义第一矢量旋翼2所处端为飞行机器人100的前端，第二矢量旋翼3所处端为飞行机器人100的后端。

为了便于第一矢量旋翼2和第二矢量旋翼3的安装，封闭机体1呈x形，封闭机体1包括第一支爪、第二支爪、第三支爪、第四支爪和机身主体，四个支爪(本实施例中的第一至第四支爪)位于机身本体的四角，形成第一矢量旋翼2、第二矢量旋翼3和车轮4的安装框架。本实施例中，位于机身本体一侧的第一支爪和第二支爪、第三支爪和第四支爪连接成V形，两支爪的连接端圆弧过渡，避免应力集中。

考虑到飞行机器人100的电源组件和控制组件的安装，机身本体的顶部设有凹槽11，凹槽11内设有电池限位块111、第一螺钉柱112和第二螺钉柱113，电池限位块111设有两个，两个电池限位块111之间形成电池5的安放空间，两个电池限位块111之间的距离等于电池5的长度，第一螺钉柱112设有四个，四个第一螺钉柱112分别位于矩形的四角，且第一螺钉柱112不与第二螺钉柱113位于凹槽11的同一侧边，第二螺钉柱113设有两个，分别位于电池限位块111的后侧，用于安装机顶外壳12，第一螺钉柱112用于安装固定电池5的连接架51。

考虑到电池5和电源模块6的散热问题，凹槽11的底部设有散热孔，本实施例中，散热孔为条形孔，均布于凹槽11的底部中间。值得注意的是，为了便于电源模块6给其他电器元件供电，凹槽11的底部还设有穿线孔，本实施例中，穿线孔设有两个，两个穿线孔对称位于凹槽11的两侧，且分别位于两个第一螺钉柱112的中间。

电池5与电源模块6连接，电源模块6将电池5提供的电压转化为其他各电器元件适用的电压，并监测电池5输出的电流和电压值，并将监测数据传给机器人控制器7。

连接架51呈H形，连接架51包括两条平行的长条部和一条短条部，短条部设在长条部的端部设有通孔，H形的连接架51刚好与四个第一螺钉柱112匹配，通过螺钉能够将连接件51固定得到第一螺钉柱112上，连接架51压紧电池5，需要说明的是，第一螺钉柱112的高度等于电池5的厚度。

为了便于机顶外壳12的安装，连接架51的长条部上设有第三螺钉柱，每个长条部上设有两个第三螺钉柱，且两个第三螺钉柱分位于短条部的两侧，电源模块6开设有四个通孔，四个通孔的位置与连接架51上设置的第三螺钉柱对应，第三螺钉柱穿过电源模块6上的通孔，电源模块6与连接架51接触。

飞行机器人100还包括机器人控制器7，机器人控制器7用于控制飞行机器人100的电机和舵机运动，即控制机体(本实施例中封闭机体1，为便于描述，以下称为机体)的运动，机器人控制器7设在凹槽11内，具体地，机器人控制器7位于电源模块6的上方，机器人控制器7上设有四个通孔，通过螺钉将机器人控制器7安放到连接架51的第三螺钉柱上。

为了避免粉尘等杂物落入凹槽11内，影响飞行机器人100的运行，凹槽11的上端设有机顶外壳12，机顶外壳12的两端设有通孔，通过螺钉将机顶外壳12与第二螺钉柱113固定。

为了增加机身强度，机身本体的底部设有凸起13，凸起13设有两个，两个凸起13平行设置，本实施例中，凸起13的方向沿机身本体的长度方向一致。

机载处理器组件8包括机载处理器81和机载处理器安装盒82，机载处理器81设在机载处理器安装盒82内，用于处理摄像头9拍摄的数据。机载处理器安装盒82包括底壳821和上盖822，底壳821为封闭机体1的一部分，底壳821与封闭机体1两者为一个整体。底壳821内设有第四螺钉柱，用于安装机载处理器81，第四螺钉柱位于底壳821的四角。底壳821的侧边开设有槽孔，便于机载处理器81连接外部设备。

机载处理器81通过螺钉安装到第四螺钉柱上，具体地，上盖822上开设有通孔，通孔位置与第四螺钉柱对应，螺钉依次穿过上盖822、机载处理器81与第四螺钉柱连接，将上盖822与底壳821固定。上盖822上开设有螺钉孔，用于安装摄像头9，摄像头9安放到上盖822的中间位置。

第一矢量旋翼2包括第一机臂21、第一电机22、第一螺旋桨23、第一旋翼齿轮24、第一传动齿轮25和第一舵机26，第一电机22与第一螺旋桨23连接，并设置第一机臂21上，第一旋翼齿轮24、第一传动齿轮25和第一舵机26位于第一机臂21的一端，具体地，第一旋翼齿轮24套设在第一机臂21上，第一传动齿轮25与第一舵机26连接，并与第一旋翼齿轮24啮合。

具体而言，为了减轻飞行机器人100的整机重量且便于电线的布设，第一机臂21为空心结构。第一机臂21上设有第一电机安装座，第一电机安装座与第一机臂21垂直，且第一电机安装座与第一机臂21连通，第一电机22至少部分地设在第一电机安装座内，第一电机安装座设有两个，两个第一安装座平行设置。第一电机安装座的两侧均设有第一电机22，四个第一电机22两两位于第一机臂21的两侧。每个第一电机22控制一个第一螺旋桨23的转动，第一电机22与电源模块6电连接。

值得注意的是，第一机臂21的两端均设有多个爪，本实施例中，爪的数量为六个，用于卡设第一法兰轴承27，并通过第一法兰轴承27与封闭机体1连接。

为了便于第一舵机26的安装，支爪的端部设有安装槽孔，第一舵机26位于支爪的外侧，通过螺钉安装到支爪上，第一舵机26的轴穿过支爪与第一传动齿轮25连接。第一法兰轴承27设在支爪开设的安装孔内，第一法兰轴承27内圈能够相对支爪发生转动，进而使得第一矢量旋翼2(第一舵机26外)能够相对机身本体发生转动，便于飞行机器人100飞行姿态的调整。

第二矢量旋翼3包括第二机臂31、第二电机32、第二螺旋桨33、第二旋翼齿轮34、第二传动齿轮35和第二舵机36，第二电机32与第二螺旋桨33连接，并设置第二机臂31上，第二旋翼齿轮34、第二传动齿轮35和第二舵机36位于第二机臂31的一端，具体地，第二旋翼齿轮34套设在第二机臂31上，第二传动齿轮35与第二舵机36连接，并与第二旋翼齿轮34啮合。

具体而言，为了减轻飞行机器人100的整机重量且便于电线的布设，第二机臂31为空心结构。第二机臂31上设有第二电机安装座，第二电机安装座与第二机臂31垂直，且第二电机安装座与第二机臂31连通，第二电机32至少部分地设在第二电机安装座内，第二电机安装座设有两个，两个第二安装座平行设置。第二电机安装座的两侧均设有第二电机32，四个第二电机32两两位于第二机臂31的两侧。每个第二电机32控制一个第二螺旋桨33的转动，第二电机32与电源模块6电连接。

值得注意的是，第二机臂31的两端均设有多个爪，本实施例中，爪的数量为六个，用于卡设第二法兰轴承37，并通过第二法兰轴承37与封闭机体1连接。

为了便于第二舵机36的安装，支爪的端部设有安装槽孔，第二舵机36位于支爪的外侧，通过螺钉安装到支爪上，第二舵机36的轴穿过支爪与第二传动齿轮35连接。第二法兰轴承37设在支爪开设的安装孔内，第二法兰轴承内圈能够相对支爪发生转动，进而使得第二矢量旋翼3(除第二舵机36外)能够相对机身本体发生转动，便于飞行机器人100飞行姿态的调整。

值得注意的是，为了使飞行机器人100在重量上平衡，第一舵机26和第二舵机36分别呈对角安放到封闭机体1的支爪上，本实施例中，第一舵机26安放在第一支爪上，第二舵机36安放在第三支爪上。

本实施例中，第一机臂21和第一旋翼齿轮24固定连接，第一传动齿轮25与第一旋翼齿轮24啮合，将第一舵机26的转动力矩传动给第一矢量旋翼2，使得第一矢量旋翼2(除第一舵机26)能够绕第一机臂21的轴线转动；第二机臂31和第二旋翼齿轮34固定连接，第二传动齿轮35与第一旋翼齿轮24啮合，将第二舵机36的转动力矩传动给第二矢量旋翼3，使得第二矢量旋翼3(除第二舵机36)能够绕第二机臂31的轴线转动。

车轮4通过车轮安装座41与支爪连接，车轮安装座41的一端通过螺钉固定到支爪的外侧，另一端与车轮4转动连接。本实施例中的车轮4无动力，即车轮4并不连接电机，飞行机器人100运动的所有动力都来自矢量旋翼整体产生的矢量推力。为了保护螺旋桨(本实施例中的第一螺旋桨23和第二螺旋桨33)，防止螺旋桨刮蹭到地面200或墙面300，车轮4的直径大于螺旋桨的直径。

飞行机器人100实施例各部分组件可以根据飞行机器人100的实际指标灵活调整。本实施例的飞行机器人100的总重250g，第一舵机26和第二舵机36均为4g微型舵机，八支三寸螺旋桨其中四支正桨四支反桨，第一电机22和第二电机32均为型号为8510空心杯电机，电池5为一块电压7.4V、容量1300mah的锂电池，摄像头9为视角120°的广角摄像头，车轮4为碳纤维材质厚度1mm，除螺钉、螺母、轴承等标准件外，其他结构部件均采用3D打印塑料材质。本实施例的飞行机器人100结构紧凑、质量轻便，便于各模态下运行。

实施例2

本发明的另一个具体实施例，如图10-图23所示，公开了一种多模态飞行机器人100的变模态方法，使用实施例1的飞行机器人100，包括空中变姿态悬停模态、地面200爬行模态和墙面300爬行模态，且能够在空中变姿态悬停模态、地面200爬行模态和墙面300爬行模态转换。

与现有技术相比，本实施例提供的飞行机器人100的变模态方法，能够实现飞行机器人100的封闭机体1任意俯仰角的悬停空中，且能够实现控制变姿态悬停模态、地面200爬行模态和墙面300爬行模态的任意转换，扩大了飞行机器人100的应用范围和应用前景。

本实施例中，变姿态悬停，是指不论飞行机器人100的封闭机体1处于何种姿态，飞行机器人100一直能保持悬停于空中的位置不变。变姿态悬停的关键在于飞行机器人100的姿态解算。

飞行机器人空中变姿态悬停的步骤如下：

步骤1：设定飞行机器人控制面坐标系与机体坐标系之间的旋转角θ，

步骤2：求解飞行机器人控制面坐标系与机体坐标系之间的旋转矩阵R₁；步骤3：实时解算出飞行机器人机体坐标系到地球坐标系的旋转

步骤4：求解飞行机器人机体坐标系到地球坐标系的旋转矩阵R₂；步骤5：求解飞行机器人控制面坐标系到地球坐标系的旋转矩阵R；步骤6：求得飞行机器人控制面坐标系与地球坐标系之间的欧拉角；步骤7：通过第一舵机26和第二舵机36控制第一矢量旋翼2和第二矢量旋翼3同步倾转θ角度，同步进行步骤8；步骤8：通过串级PID闭环控制算法控制飞行机器人的电机转速，从而实现飞行机器人的姿态和位置控制。

飞行机器人100能够在空中运动其实与封闭机体1的姿态无关，而是与螺旋桨(实施例1的第一螺旋桨23和第二螺旋桨33)平面有关。本实施例中，定义与飞行机器人100重心重合且平行于螺旋桨平面的假想面为控制面，由于不论以怎样的姿态悬停，飞行机器人100的运动仅与控制面有关而与飞行机器人100姿态无关，所以需要两个旋转矩阵表示飞行机器人100的准确姿态。

因而建立三个坐标系，分别为地球坐标系、机体坐标系和控制面坐标系，其中第一个旋转矩阵R₁表示控制面坐标系与机体坐标系之间的旋转，第二个旋转矩阵R₂表示机体坐标系到地球坐标系的旋转。初始时刻即飞行机器人100以0°俯仰角平放于地面200时，这三个坐标系完全重合。由于机器人控制器与机体是固联的，所以通过采集机器人控制器上的三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴磁力计数据，基于扩展卡尔曼滤波(EKF)算法，可以实时解算出机体坐标系到地球坐标系的旋转，该旋转采用四元数

表示，其中

由于

可求得旋转矩阵R₂。

由于R₁表示飞行机器人100控制面坐标系与机体坐标系的旋转，而这两个坐标系之间的夹角仅与操纵者期望的机体悬停时的俯仰角θ有关，且俯仰角θ由操纵者设定，由

可求得R₁。

控制面坐标系到地球坐标系的旋转矩阵为：

可得：R＝R₁·R₂

由于飞行机器人100在空中的运动仅与控制平面有关，为了控制飞行机器人100的运动，需要求得控制平面坐标系与地球坐标系之间的欧拉角，欧拉角包括三个量：俯仰角θ、滚转角

偏航角ψ。又因为已经求得控制面坐标系与地球坐标系之间的旋转矩阵R，由

可解得欧拉角。

本实施例中，采用串级PID闭环控制算法控制飞行机器人100的运动。PID控制器获得的目标姿态角为控制面坐标系相对地球坐标系的目标姿态角，目标姿态角由控制人员给定，并用欧拉角表示。需要说明的是，目标姿态角不是机体的目标姿态角；PID控制器获得的当前姿态角为上文提到的俯仰角θ、滚转角

偏航角ψ。PID控制器获得的当前角速度由机载陀螺仪测得。PID控制器的时域公式为：

其中，K_P、K_I、K_D为需要设定的参数，K_P为比例系数、K_I为积分系数、K_D为微分系数。e(t)、e(τ)为PID控制器的输入量，即目标值与测量值的差值。F(t)为PID控制器的输出值。对于串级PID而言，上一级PID控制器的输出值就是下一级PID控制器的目标值。

最后一级PID控制器的输出值就是电机的控制量，电机控制量可以换算为PWM(Pulse width modulation；脉宽调制信号)的占空比的值。电机的驱动电路就是由脉宽调制信号控制的，最终的结果就是更大的电机控制量对应与更大的占空比，更大的占空比对应于更大的电机转速。

由于飞行机器人100上装有多个电机，本实施例中，为四个第一电机22和四个第二电机32，且每两个相邻电机转向相反，因此需要通过多个串级PID算法同时运行，才能解算出所有电机的控制量。同时运行的串级PID算法有四个，一个负责位置控制，三个负责姿态控制。飞行机器人100位置控制的串级PID算法用于控制高度，其解算出的是所有电机控制量的平均值。三个用于姿态控制的飞行机器人100串级PID算法分别控制三个姿态量，三个姿态量包括飞行机器人100控制面的俯仰、滚转和偏航，用于俯仰控制的串级PID算法解算出的是前矢量旋翼(本实施例中的第一矢量旋翼2)四个电机(本实施例中的第一电机22)与后矢量旋翼(本实施例中的第二矢量旋翼3)四个电机(第二电机32)的控制量的差值，用于滚转控制的串级PID算法解算出的是机身左侧的四个电机(本实施例中封闭机体1的左侧两个第一电机22和两个第二电机32)与机身右侧的四个电机(本实施例中封闭机体1的由侧两个第一电机22和两个第二电机32)的控制量的差值，用于偏航控制的串级PID算法解算出的是顺时针旋转的四个电机与逆时针旋转的四个电机的控制量的差值。依靠这四个同时运行的串级PID算法，就可以实现对所有电机转速的实时自动控制。

实施时，控制者在实际操控时，只需要通过遥控设备设定控制面坐标系相对于地球坐标系的目标姿态角以及机体的目标高度就能控制飞行机器人100以任意俯仰角悬停于空中，以及在空中自由运动。设定目标高度，可以控制机体的上下移动；设定控制面的目标俯仰角可以控制机体的前后运动；设定控制面的目标滚转角，可以控制机体的左右运动；设定控制面的目标偏航角，可以控制机体的偏航。

值得注意的是，当机体竖直悬停于空中的时候，此时控制面与机身平面正好相互正交，如果不采取其他策略会导致飞行机器人100失去了对机体俯仰的控制力矩。

为此，本实施例在此状态下禁用飞行机器人100俯仰控制的PID控制环，增加上方矢量旋翼的平均推力，降低下方矢量旋翼的平均推力。需要注意的是，需要固定下方矢量旋翼的倾转角度，使下方矢量旋翼的螺旋桨平面与机体平面始终保持正交，而上方矢量旋翼的倾转角度是时变的，不论机体实际俯仰角怎样变化，上方矢量旋翼的螺旋桨平面需要始终保持与重力方向垂直。这样就可以利用飞行机器人100的重力矩实现其俯仰的稳定，而不会失控翻滚。此时，设定目标高度，可以控制机体的上下移动；设定控制面的目标滚转角，可以控制机体的左右运动；设定控制面的目标偏航角，可以控制机体的偏航。

由于机体竖直悬停于空中时禁用了飞行机器人100的俯仰控制，机器人无法前后运动，所以，需要设计一种新的控制方案。当机体需要向前运动时，只需要将上方的矢量旋翼稍稍向前倾转，使上方矢量旋翼的螺旋桨平面不再与重力方向垂直，就可以让机体向前移动；当机体需要向后运动时，只需要将上方矢量旋翼稍稍向后倾转，使上方矢量旋翼的螺旋桨平面不再与重力方向垂直，就可以让机体向后移动。

在实施例中，为了保证飞行机器人的可靠性，只将飞行机器人控制面坐标系与机体坐标系之间的旋转角θ设置在±70°之间或者90°。即飞行机器人倾斜悬停的最大角度设置为70度，如果需要飞行机器人以更大的倾角悬停，那么就直接设置飞行机器人为竖直悬停的模式。

当飞行机器人100顶部贴附于墙面300时，飞行机器人100摄像头9面向墙前的开阔区域，可以拍摄开阔区域内的物体；当飞行机器人100底部贴附于墙面300时，摄像头9面向墙面300，可以检测墙体表面的老化程度，并且当飞行机器人100附着于墙面300后，不会受风力影响，拍摄画面会比飞行过程中更清晰。

由于飞行机器人100能够以任意俯仰角悬停于空中，所以飞行机器人100可以直立姿态飞抵墙面300，在触碰墙面300的瞬间，倾转矢量旋翼，使旋翼产生的推力在抵消重力的同时，把机体压在墙面300上。这样就实现了飞行机器人100的墙面300附着。而当飞行机器人100需要脱离墙面300时，只需要调整矢量旋桨的角度，使旋翼产生的推力不再将机体压向墙面300，机器人就可以自动回到竖直飞行的模态。飞行机器人100贴靠到墙面300上后，第一矢量旋翼2和第二矢量旋翼3提供矢量推力，能够使飞行机器人100在墙面上爬行。本实施例的飞行机器人100由于能够在空中进行变姿态悬停，当需要从空中姿态变为爬墙模式时，不需要控制飞行机器人100先使其一个矢量旋翼靠近墙面300，并抵住墙面300再以抵靠矢量旋翼为轴线进行翻转，来实现飞行机器人100垂直贴墙，当需要从墙面飞回空中时，不需要依靠飞行机器人100的下矢量旋翼为轴线翻转至水平姿态才能飞离墙面300，提高了飞行机器人各模态的转换效率。

飞行机器人100从空中姿态飞到地面200和从地面200驶离飞回空中的过程与飞行机器人100从空中姿态飞到墙面300和从墙面300飞回空中的过程类似，在此不再一一赘述。

本实施例中，飞行机器人100从地面200爬上墙面300的过程为：飞行机器人100的矢量旋翼产生的矢量推力推动飞行机器人100行驶至墙边，飞行机器人100的前端车轮4触碰到墙面300。飞行机器人100的第一矢量旋翼2和第二矢量旋翼3提供矢量推力，使飞行机器人100的前端车轮4抵住墙面300，机体绕抵靠墙面300的矢量旋翼轴线向前倾转，从而使飞行机器人100整体贴附在墙面300上；当飞行机器人100贴附到墙面300后，飞行机器人100即可实现爬墙模式。

需要说明的是，本实施例中，飞行机器人100能够以顶部贴附墙面300，也能够以底部贴附墙面300。

飞行机器人100从墙面300返回地面200的过程为：飞行机器人100在墙面300爬行状态下由矢量旋翼提供的矢量推力稳定在墙面上，飞行机器人100先爬至墙角(即飞行机器人100的一端车轮4触地的情况)，矢量旋翼在舵机的带动下改变矢量推力方向，矢量推力在水平方向的分力可以提供飞行机器人的倾转力矩。倾转力矩的作用是提供一个角加速度，让机体在短时间内拥有一个初始倾转角速度。飞行机器人100矢量旋翼调整矢量推力，使机体由前倾姿态平稳翻转至水平姿态。当飞行机器人100的回到地面200后即可进行地面200爬行状态，并在第一矢量旋翼2和第二矢量旋翼3提供的矢量推力的作用下驶离墙面300。

本实施例的飞行机器人100的能够用遥控器、手机APP等遥控设备进行遥控操作。当飞行机器人100在地面200爬行时，控制者利用遥控设备可以设定飞行机器人100的目标加速度，该加速度信号会实时发送给飞行机器人100，从而控制旋翼方向和螺旋桨转速，进而控制飞行机器人100的前进和后退；当飞行机器人100在墙面300爬行时，利用遥控设备可以设定飞行机器人100的目标高度，飞行机器人100通过串级PID算法自动控制旋翼推力，使机体稳定在目标高度上，就能实现飞行机器人100在墙面300的垂直攀爬。遥控设备还可以设定机器人的目标姿态，随后飞行机器人100通过串级PID算法自动控制旋翼推力，使机体稳定在目标姿态上，机体向左倾机器人会向左移动，机体向右倾机器人会向右移动；当飞行机器人100在空中飞行时，利用遥控设备可以设定飞行机器人100的目标高度和目标姿态，飞行机器人100通过串级PID算法自动控制电机推力输出，使机体稳定在目标高度和目标姿态上。

本实施例中，飞行机器人100能够飞入类似管道400的狭小空间内进行检测。飞入管道400后，飞行机器人100可以靠车轮的滚动前进，而前进的动力来自于矢量旋翼产生的矢量推力。

本发明提出的多模态飞行机器人能够实现机器人的多模态转换，在军事、工业、民用上都有广阔的应用前景。在军事上，基于本发明所述的结构和方法，飞行机器人可以携带炸药，然后飞到某栋建筑物的表面然后爬到指定位置引爆炸药，进行定点爆破摧毁敌人的阵地或者其它设施，这样可以降低人为操作所造成的伤亡，同时更具有隐蔽性，而一般的飞行机器人比如无人机由于不具备相应的墙面爬行功能从而无法完成任务。在工业上，针对基础设施的检修作业，目前多数解决方案是靠无人机挂载摄像头环绕建筑物进行拍摄。但是在复杂的作业环境下，普通的无人机无法达到较好的检测效果。比如无人机易受风力影响导致拍摄不稳定，以及挂在机体下方的摄像头无法拍摄机体上方的建筑物。而本发明提出的飞行机器人，实现了飞行机器人只挂载一颗摄像头，就可以实现机身上方和下方的全方位拍摄。飞行机器人还能够贴附于墙面拍摄，在近距离检测墙体老化程度的同时可以不受风力的影响，提高了检测的效果。飞行机器人还可以钻进狭小的管道中进行拍摄，靠车轮滚动通过狭小的管道。在民用上，高层建筑的表面粉刷清洗目前一般也由人工完成，需要不断调整工人所在位置，费时费力，还存在一定的安全风险，而本发明提出的飞行机器人完全可以应用到此类任务场景中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多模态飞行机器人的变模态方法，其特征在于，步骤包括：

设定飞行机器人控制面坐标系与机体坐标系之间的旋转角θ，

；

求解飞行机器人控制面坐标系与机体坐标系之间的旋转矩阵R₁，

；

实时解算出飞行机器人机体坐标系到地球坐标系的旋转

，

；

求解飞行机器人机体坐标系到地球坐标系的旋转矩阵R₂，

；

求解飞行机器人控制面坐标系到地球坐标系的旋转矩阵R，

；

求得飞行机器人控制面坐标系与地球坐标系之间的欧拉角；

通过舵机控制两矢量旋翼同步倾转θ角度，并同步通过串级PID闭环控制算法控制飞行机器人的电机转速，从而实现飞行机器人的姿态和位置控制；

所述飞行机器人的姿态和位置控制中，与所述飞行机器人（100）重心重合且平行于螺旋桨平面的面为控制面，当封闭机体（1）竖直悬停于空中的时候，此时控制面与机身平面相互正交；封闭机体（1）竖直悬停状态下禁用飞行机器人（100）俯仰控制的PID控制环，增加上方矢量旋翼的平均推力，降低下方矢量旋翼的平均推力，固定下方矢量旋翼的倾转角度，使下方矢量旋翼的螺旋桨平面与机体平面始终保持正交，上方矢量旋翼的倾转角度是时变的，上方矢量旋翼的螺旋桨平面始终保持与重力方向垂直；

所述多模态飞行机器人包括封闭机体（1）、第一矢量旋翼（2）、第二矢量旋翼（3）和车轮（4），第一矢量旋翼（2）和第二矢量旋翼（3）分别设于封闭机体（1）的两端，车轮（4）设于第一矢量旋翼（2）和第二矢量旋翼（3）的两端；

飞行机器人（100）能够以任意俯仰角在空中悬停，第一矢量旋翼（2）能够绕设于第一矢量旋翼（2）两端的车轮（4）的中心轴线发生360°旋转，第二矢量旋翼（3）能够绕设于第二矢量旋翼（3）两端的车轮（4）的中心轴线发生360°旋转；

多模态飞行机器人还包括电池（5）、电源模块（6）和机器人控制器（7），所述封闭机体（1）的机身本体顶部设有凹槽（11），电池（5）、电源模块（6）和机器人控制器（7）均设于凹槽（11）内；凹槽（11）内设有H型连接架，H型连接架安装电源模块（6）和机器人控制器（7），H型连接架设置的第三螺钉柱与机顶外壳连接；

封闭机体（1）呈x形，包括四个支爪，且位于同一侧的两个支爪连接成V形，并圆滑过渡。

2.根据权利要求1所述的多模态飞行机器人的变模态方法，其特征在于，还包括机载处理器组件（8），机载处理器组件（8）设在所述封闭机体（1）的底部。

3.根据权利要求2所述的多模态飞行机器人的变模态方法，其特征在于，所述机载处理器组件（8）包括机载处理器（81）和机载处理器安装盒（82），机载处理器（81）设于机载处理器安装盒（82）内，所述机载处理器安装盒（82）上设有摄像头（9）。

4.根据权利要求1所述的多模态飞行机器人的变模态方法，其特征在于，所述第一矢量旋翼（2）包括第一机臂（21）、第一电机（22）、第一螺旋桨（23）和第一舵机（26），第一电机（22）与第一螺旋桨（23）连接，并设于第一机臂（21）上，第一舵机（26）设于第一机臂（21）的一端。

5.根据权利要求1-4任一项所述的多模态飞行机器人的变模态方法，其特征在于，所述第二矢量旋翼（3）包括第二机臂（31）、第二电机（32）、第二螺旋桨（33）和第二舵机（36），第二电机（32）与第二螺旋桨（33）连接，并设于第二机臂（31）上，第二舵机（36）设于第二机臂（31）的一端。

6.根据权利要求1所述的多模态飞行机器人的变模态方法，其特征在于，所述飞行机器人（100）的飞行模态包括空中变姿态悬停模态、地面（200）爬行模态和墙面（300）爬行模态，且能够在空中变姿态悬停模态、地面（200）爬行模态和墙面（300）爬行模态转换。

7.根据权利要求1所述的多模态飞行机器人的变模态方法，其特征在于，当机体竖直悬停于空中时，采用两个姿态控制串级PID算法分别控制控制面的滚转和偏航，并增加上方的矢量旋翼的平均推力，降低下方的矢量旋翼的平均推力。

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