CN113865556A - 一种分体式全景智能探测机器人及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分体式全景智能探测机器人及方法，分体式全景智能探测机器人包括四足机器人和无人机，四足机器人用于探测以及承载无人机；四足机器人和无人机上分别安装有导航系统；当四足机器人视角受限时，无人机对前方行驶路况进行信息探测；当无人机探测完毕后，通过导航系统进行定位返回四足机器人上。在类似于复杂的城区环境中，既可以单一的空中探测，陆地探测，也可以陆地、空中协同分体式全景探测，灵活性更强，探测范围更广，并且可以实现超远距离控制。

Description

一种分体式全景智能探测机器人及方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种分体式全景智能探测机器人及方法。
背景技术
近年来，四旋翼电驱动无人机和四足机器人在抢险救灾、反恐排爆、危险区域探测等环境下发挥着各自的优势，但是，单一机器人在一些复杂环境中很难完成探测任务。目前，陆空一体化机器人兼具了四旋翼电驱动无人机和四足机器人的良好性能，但是陆空一体化机器人探测范围平面化，不能满足全景式信息探测的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分体式全景智能探测机器人及方法，考虑了四足机器人视角受限情况下，启动四旋翼电驱动无人机来探测前行路况状态，以解决现有技术中的探测机器人探测范围扁平化的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面，一种分体式全景智能探测机器人，包括四足机器人和无人机，所述四足机器人用于探测以及承载无人机；所述四足机器人和无人机上分别安装有导航系统；当四足机器人视角受限时，无人机对前方行驶路况进行信息探测；当无人机探测完毕后，通过导航系统进行定位返回四足机器人上。
具体的，所述四足机器人包括机器人躯体，以及安装在机器人躯体上的机器人足和摄像头；所述机器人躯体内置主控板、无线通信模块、驱动模块、惯性测量模块和电源模块；所述主控板分别电连接摄像头、无线通信模块、驱动模块、惯性测量模块和电源模块；
所述摄像头能够探测并检测前方行驶路况，无线通信模块用来接收无人机获取的路况信息和无人机的位姿状态信息，驱动模块用来驱动机器人足行走，惯性测量模块用来测量机器人的位姿状态信息，电源模块为机器人行走提供能源。
具体的，所述机器人躯体上安装有连接装置，所述连接装置包括安装在机器人躯体顶部的机器人基座，所述机器人基座上设置有锥孔；无人机底座底部固定有销钉，当四足机器人承载无人机时，所述销钉插到所述锥孔内。
具体的，所述锥孔内布置有电磁铁。
具体的，所述无人机安装有摄像头、主控板、驱动模块、电源模块和无线通信模块；所述主控板分别电连接摄像头、驱动模块、电源模块和无线通信模块；所述摄像头能够探测机器人前方行驶路况信息，驱动模块用来驱动无人机的螺旋桨进行调整速度和位置，无线通信模块用于发送机器人视角受限下的路况信息、向北斗导航发出定位申请和接收北斗导航传输过来的位置信息以及接收机器人位姿状态信息，电源模块为无人机行走提供能源。
具体的，所述四足机器人上安装有太阳能板，所述太阳能板分别连接四足机器人和无人机的电源模块，用于为四足机器人和无人机提供能源。
具体的，所述无人机采用四旋翼电驱动无人机。
具体的，还包括用于控制四足机器人和无人机的远程控制台。
具体的，所述远程控制台包括控制按钮、信号接收天线和显示屏，所述控制按钮用于控制四足机器人和无人机动作，所述信号接收天线实现对信息交互的接收，显示屏实现对探测信息、视频/音频信息的接收显示，同时显示四足机器人和四旋翼电驱动无人机的位置信息和状态信息。
本发明的第二个方面，一种用于全景信息探测的方法，基于所述分体式全景智能探测机器人，包括如下步骤：
步骤1、四足机器人携带无人机进行环境探测，当四足机器人探测视觉受阻时，四足机器人停止，导航系统记录当前位置信息；
步骤2、无人机启动探测环境信息，无人机获取的环境信息回传至上位机，同时结合无线通信模块传输信息给四足机器人；
步骤3、四足机器人将接收到的信息采用DWA动态窗口法进行路径规划，避开障碍物；
步骤4、四足机器人避开障碍物后，继续进行环境探测，无线传输模块发送定位申请，导航系统定位无人机和四足机器人的位置信息，并确定对接汇合点，通过无线传输模块将汇合点位置信息发送至无人机和四足机器人，无人机返回完成对接；
步骤5、对接完成后，若继续探测，返回步骤1，否则机器人返回导航系统发送的指定位置处。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明实施例提供的分体式全景信息探测机器人，在机器人摄像头视角受限情况下，通过启动四旋翼电驱动无人机获取前行道路状况；当摄像头视角良好的情况下，四旋翼电驱动无人机和机器人通过北斗导航获取当前位置信息，且结合无线通信模块共享彼此的位置信息，不断缩短二者之间的距离直至四旋翼电驱动无人机落到机器人的躯体上。能够对危险区域进行探测，降低工作人员探测的成本和风险。在复杂环境中，既可以单一的空中探测，陆地探测，也可以陆地、空中协同分体式全景探测，灵活性更强，探测范围更广，并且可以实现超远距离控制。
(2)本发明实施例提供的分体式全景信息探测机器人，通过“销钉-锥孔”和电磁吸合装置固定四旋翼电驱动无人机设备，能够将无人机牢牢固定在四足机器人的躯体上面。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，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：
图1是本发明实施例分体式全景信息探测机器人结构示意图。
图2是本发明实施例中四足机器人总体框架设计图，(a)四足机器人结构示意图，(b)四足机器人主控板电路框架图。
图3是本发明实施例中无人机总体框架设计图，(a)四旋翼电驱动无人机结构示意图，(b)四旋翼电驱动无人机主控板电路框架图。
图4是四足机器人和无人机间的连接装置示意图，(a)机器人基座示意图，(b)四旋翼电驱动无人机底座示意图，(c)电磁吸合装置示意图。
图5是北斗卫星导航原理图。
图6是四旋翼电驱动无人机返回方式示意图，其中，(a)机器人移动四旋翼电驱动无人机静止，(b)机器人静止四旋翼电驱动无人机移动，(c)机器人和四旋翼电驱动无人机均移动。
图7是远程控制台示意图。
图8是分体式全景信息探测机器人的工作流程图。
其中：1机器人足；2机器人躯体；3摄像头；4太阳能板；5连接装置；6四旋翼电驱动无人机；7无线通信；8北斗导航系统；9基座；10锥孔；11四旋翼电驱动无人机底座；12销钉；13全自动/手动控制模式切换按钮；14启动四旋翼电驱动无人机起飞按钮；15四旋翼电驱动无人机方向控制摇杆；16返回方式a按钮；17返回方式b按钮；18返回方式c按钮；19四足机器人方向控制按钮；20信号接收天线；21显示屏。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
本发明实施例提供了一种分体式全景智能探测机器人及方法，当探测范围为类似于城区或安全环境的区域时，可以通过操作人员人为放置机器人至探测地点，也可通过远程控制台对机器人进行远端遥控，使机器人到达指定的探测地点；当探测范围为未知地貌或危险环境的区域时，可通过无人车辆或无人飞机等将机器人运载至指定的探测地点。机器人到达探测地点后，四足机器人携带无人机进行环境探测，当四足机器人视角受阻时，无人机启动对前方行驶路况进行信息探测，并将获取的环境信息回传至上位机，同时结合无线通信模块传输信息给四足机器人，四足机器人将接收到的信息进行路径规划，避开障碍物。当无人机探测完毕后，通过导航系统进行定位返回四足机器人上。
请参阅图1，为本发明实施例提供的可分体式全景信息探测机器人结构示意图，主要包括机器人足1、机器人躯体2、太阳能板4、四足机器人和四旋翼电驱动无人机间的连接装置5、四旋翼电驱动无人机6、无线通信7、北斗导航8。机器人四足1与机器人躯体2连接，机器人躯体2与连接装置5、太阳能板4连接，且机器人躯体2前端装有摄像头3，连接装置5上面放置四旋翼电驱动无人机6，并且紧密连接，同时，四旋翼电驱动无人机6和四足机器人通过无线通信7与北斗导航8相连。摄像头3用于获取机器人前行道路路况信息。机器人和四旋翼电驱动无人机间的连接装置5为了使四旋翼电驱动无人机固定在四足机器人上。四旋翼电驱动无人机6用于获取机器人视角受限下的前行道路路况信息。四旋翼电驱动无人机和四足机器人通过无线通信7向北斗导航8发送申请定位指令。太阳能板4主要为四足机器人、四旋翼电驱动无人机等装置提供电能。
请参阅图2，为四足机器人总体框架设计图，其中，(a)四足机器人结构示意图，(b)四足机器人主控板电路框架图。图2(a)主要包括主控板、4组直流电机(M1、M2、M3、M4)和2个摄像头，且直流电机、摄像头与机器人躯体2连接，主控板位于机器人躯体内部。图2(b)主控板上载有微处理器(STM32)无线通信模块、驱动模块、惯性测量模块、摄像头和电源模块。主控板根据前端摄像头获取的道路路况信息、接收四旋翼电驱动无人机传来的路况和惯性测量模块得到的机器人位姿信息作出指令，通过驱动模块驱动机器人的四足，惯量测量模块用来测量机器人的位姿状态信息，电源模块为主控板和驱动机器人四足的电机提供电能。
请参阅图3，为四旋翼电驱动无人机总体框架设计图，其中，(a)四旋翼电驱动无人机结构示意图，(b)四旋翼电驱动无人机主控板电路框架图。图3(a)主要包括4个直流电机(M5、M6、M7、M8)、2个摄像头、2个支杆，且直流电机与支杆端点连接，摄像头均匀分布于这两个支杆上。图3(b)主控板上载有微处理器(STM32)、无线通信模块、驱动模块、摄像头和电源模块。四旋翼电驱动无人机上的摄像头用来探测前方道路状况；主控板根据由无线通信模块获取机器人状态信息、前方环境信息发出驱动电机的指令，进而调整四旋翼电驱动无人机的位姿信息，完成前方环境信息探测和自身避障等任务；电源模块为四旋翼电驱动无人机的主控板和驱动螺旋桨的电机提供电能。
请参阅图4，为机器人和四旋翼电驱动无人机间的连接装置示意图，主要包括三部分，(a)机器人基座示意图，(b)四旋翼电驱动无人机底座示意图，(c)电磁吸合装置示意图。图4(a)由机器人基座9和锥孔10构成，且锥孔10位于基座9上面；(b)由四旋翼电驱动无人机底座11和销钉12构成，且销钉12位于底座11的下部；(c)由电阻、电磁铁、电源、开关构成，且直流电源通过开关分别与电阻连接，电阻与电磁铁连接。电磁吸合原理：当四旋翼电驱动无人机落到机器人躯体上时，电磁吸合电路连通，而电磁铁线通电后产生电磁吸力，使销钉更加牢固在机器人躯体上。上述电磁吸合和“销钉-锥孔”结构两种连接转置，主要目的是加强四旋翼电驱动无人机和机器人间的紧密联系，防止四旋翼电驱动无人机坠落。
请参阅图5，为北斗卫星导航原理图，北斗卫星根据高速运动的北斗卫星瞬间位置作为已知起算数据，采用空间距离后方交会法确定待测点四足机器人和四旋翼电驱动无人机的位置。北斗导航系统主要包括定位功能、通信功能，机器人和四旋翼电驱动无人机向北斗导航发送申请定位指令，然后北斗导航通过通信功能发送机器人和四旋翼电驱动无人机的当前位置信息，主要用以完成四旋翼电驱动无人机探测环境信息后返回到机器人躯体上的对接任务。
请参阅图6，为四旋翼电驱动无人机返回方式示意图，其中，(a)四足机器人移动四旋翼电驱动无人机静止，(b)四足机器人静止四旋翼电驱动无人机移动，(c)四足机器人和四旋翼电驱动无人机均移动。四旋翼电驱动无人机返回落到机器人躯体上采用下述三种方式：
(a)当四足机器人移动到汇合点时，悬停汇合点上方的四旋翼电驱动无人机缓慢落到四机器人躯体上，并通过连接装置5固定四旋翼电驱动无人机。(b)四足机器人停在汇合点处，四旋翼电驱动无人机缓慢飞行至汇合点，然后垂直降落至四足机器人躯体上。(c)四旋翼电驱动无人机以一定角度飞行与四足机器人前行至汇合点处落到四足机器人躯体上。
请参阅图1，本发明的可分体式全景信息探测机器人的工作原理，包括三个主要内容：
1、四足机器人前行视角良好下
四足机器人在视角良好的路况下进行环境信息探测任务时，四旋翼电驱动无人机将处于闲置状态。此时，四足机器人的微处理器根据机器人的摄像头获取的路况信息和惯性测量模块测量的四足机器人的位姿状态信息发出驱动指令，经驱动模块驱动直流电机调整机器人行驶状态，进而完成环境信息探测任务。
2、四足机器人前行视角受限下
四足机器人在视角受限的路况下进行环境信息探测任务时，四旋翼电驱动无人机将处于工作状态。首先，四旋翼电驱动无人机的微处理器根据其摄像头获取的信息发出驱动指令，进而作用直流电机，使之能够完成前行路况的检测。其次，四足机器人的微处理器根据其摄像头状态信息、惯性测量的机器人位姿状态信息和经过无线通信模块得到的四旋翼电驱动无人机传输过来的路况信息发出驱动指令，在驱动模块的作用下驱动机器人前行。
3、四旋翼电驱动无人机返回对接至四足机器人
四旋翼电驱动无人机返回对接至四足机器人躯体上的方式，主要为四旋翼电驱动无人机和四足机器人通过无线通信向北斗导航发送申请定位指令，且四旋翼电驱动无人机和四足机器人通过无线通信共享彼此的位置状态信息。返回对接方式分为三种：
(1)对接方式(a)，四旋翼电驱动无人机处于悬停状态，由动力学模型，即虚拟控制量U1的升力使四旋翼电驱动无人机处于静止状态，同时四个旋翼的升力f1＝f3且f2＝f4，使四旋翼电驱动无人机实现悬停状态，北斗卫星记录四旋翼电驱动无人机位置坐标(x1,y1,z1)并发送给四足机器人。同时，四足机器人移动至坐标(x1,y1)处，四旋翼电驱动无人机通过摄像头识别四足机器人背部四旋翼电驱动无人机搭载平台锥孔颜色标识，使四旋翼电驱动无人机虚拟控制量U1的升力使四旋翼电驱动无人机处于下降状态完成对接。
(2)对接方式(b)，四足机器人处于静止状态，北斗卫星记录四足机器人位置坐标(x,y,z)并发送给四旋翼电驱动无人机，四旋翼电驱动无人机缓慢俯冲方式飞行至四足机器人坐标处，由步骤五动力学模型，即虚拟控制量U1的升力使四旋翼电驱动无人机处于下降状态，同时四个旋翼的升力f1＞f3且f2＝f4，使四旋翼电驱动无人机实现俯冲状态，四旋翼电驱动无人机通过摄像头识别四足机器人背部四旋翼电驱动无人机搭载平台锥孔颜色标识，完成对接。
(3)对接方式(c)，北斗卫星根据四足机器人和四旋翼电驱动无人机的位置距离确定汇合点坐标(x2,y2,z2)，四足机器人和四旋翼电驱动无人机同时移动至汇合点进行对接，由步骤五动力学模型，即虚拟控制量U1的升力使四旋翼电驱动无人机处于下降状态，同时四个旋翼的升力f1＞f3且f2＝f4，使四旋翼电驱动无人机实现俯冲状态，四旋翼电驱动无人机通过摄像头识别四足机器人背部四旋翼电驱动无人机搭载平台锥孔颜色标识，完成对接。
请参阅图7，为远程控制台示意图，其中，包括了全自动/手动控制模式切换按钮13，启动四旋翼电驱动无人机起飞按钮14，四旋翼电驱动无人机方向控制摇杆15，返回方式(a)按钮16，返回方式(b)按钮17，返回方式(c)按钮18，四足机器人方向控制按钮19，信号接收天线20，显示屏21。通过全自动/手动控制模式切换按钮13可以实现对整个系统的全自动/自动模式的切换，启动四旋翼电驱动无人机起飞按钮14按下后可以控制四旋翼电驱动无人机起飞，四旋翼电驱动无人机方向控制摇杆15和四足机器人方向控制按钮19可以实现对四旋翼电驱动无人机和四足机器人的手动方向控制，返回方式按钮16、17、18分别对应四旋翼电驱动无人机的3中返回对接方式，信号接收天线20实现对信息交互的接收，显示屏21实现对探测信息、视频/音频信息的接收显示，同时显示四足机器人和四旋翼电驱动无人机的位置信息和状态信息。该远程控制台方便携带，可以人为携带、车辆、飞机运载携带，并且可以实现对探测机器人的实时控制和对探测信息的实时接收显示，各部分共同实现对分体式全景信息探测机器人的整体控制。
请参阅图8，为分体式全景探测机器人的工作流程图，工作步骤如下：
步骤一：系统开始运行；
步骤二：主程序进行初始化，全景式机器人开始探测环境；
步骤三：判断机器人探测视觉是否受阻；
步骤四：若机器人探测视觉受阻，四足机器人停止，北斗导航记录当前位置信息；
如图5所示，根据高速运动的北斗卫星瞬间位置作为已知起算数据，采用空间距离后方交会法确定待测点四足机器人的位置。在待测四足机器人上安装GPS接收机装置，测定GPS到达接收机时间为Δt，则：
Figure BDA0003275862730000091
Figure BDA0003275862730000092
Figure BDA0003275862730000093
Figure BDA0003275862730000094
其中，(xi,yi,zi),(i＝1,2,3,4)为卫星1、2、3、4在t时刻的空间直角坐标；
(x,y,z)为四足机器人的待测空间直角坐标；
C为GPS信号传播速度(即光速)；
Figure BDA0003275862730000101
分别为卫星1、2、3、4的卫星钟的钟差；
Figure BDA0003275862730000102
为接收机的钟差；
di(i＝1,2,3,4)分别为卫星1、2、3、4到接收机(四足机器人)的距离。
关于di的求解，di＝d如下：
d＝c·Δt
d＝c·(TR-TS)
式中，TR为信号到达接收机的时刻，TS为信号离开卫星的时刻。
设，
Figure BDA0003275862730000103
则：
Figure BDA0003275862730000104
其中，
Figure BDA0003275862730000105
为接收机的钟差，
Figure BDA0003275862730000106
为卫星钟的钟差。
由以上公式可以求解出待测点的坐标(x,y,z)。
步骤五：四旋翼电驱动无人机启动探测环境信息，四旋翼电驱动无人机根据摄像头获取的环境信息回传至上位机实现分体式全景探测，同时结合无线通信模块传输信息给四足机器人；
建立四旋翼电驱动无人机启动上升的动力学模型。具体为：
首先建立世界坐标系(u,v,w)和四旋翼电驱动无人机的机体坐标系(x1,y1,z1)，建立—种地面上的世界系与四旋翼电驱动无人机机体坐标系之间的转换关系。
四旋翼电驱动无人机的姿态也分为移动和转动两个部分，首先推导移动部分运动学方程，根据牛顿运动学定律有：
Figure BDA0003275862730000111
其中等式左边FΩ是四旋翼电驱动无人机旋翼升力，这个式子是在世界坐标系下定义，所以重力部分只在世界坐标系的z轴上产生，等式右边是重力乘以加速度表示位置的二阶导数；
四旋翼电驱动无人机机体坐标系下升力虚拟控制量U1；
Figure BDA0003275862730000112
其中，f1、f2、f3、f4分别为4个旋翼的所产生的升力。
在此四旋翼电驱动无人机的位置坐标可以由步骤四中的北斗卫星进行定位获取。以此控制升力大小可以实现四旋翼电驱动无人机的垂直方向定高飞行。
接下来推导四旋翼电驱动无人机旋转部分运动学方程，首先定义机体的转动惯量：
Figure BDA0003275862730000113
根据刚体转动定律：
Figure BDA0003275862730000114
其中：
ω＝[p q r]T,
Figure BDA0003275862730000115
得到：
Figure BDA0003275862730000121
在四旋翼电驱动无人机姿态变化不大的情况下：
Figure BDA0003275862730000122
式中，
Figure BDA0003275862730000123
θ、ψ分别为俯仰角、横滚角、偏航角。
得到：
Figure BDA0003275862730000124
根据力学原理：
Figure BDA0003275862730000125
定义其中U2、U3、U4为横滚角、俯仰角、偏航角虚拟控制量：
U2＝l(f4-f2)，U3＝l(f3-f1)，U4＝∑Mi
得到：
Figure BDA0003275862730000131
转动方程为：
Figure BDA0003275862730000132
根据四旋翼电驱动无人机的动力学模型，可以通过给定移动升力以及旋转俯仰角
Figure BDA0003275862730000133
横滚角θ以及偏航角ψ来控制四旋翼电驱动无人机的起飞过程，本发明采用垂直起飞的方式实现四旋翼电驱动无人机的启动。由动力学模型，即虚拟控制量U1的升力使四旋翼电驱动无人机处于上升，同时四个旋翼的升力f1＝f3且f2＝f4，使四旋翼电驱动无人机实现垂直起飞方式。
步骤六：四足机器人将接收到的信息采用DWA动态窗口法进行路径规划避开障碍物；
采用DWA算法进行路径规划，首先建立机器人的运动模型。具体如下：
计算机器人轨迹时，先考虑两个相邻时刻，可以将两相邻点之间的运动轨迹看成直线，即沿机器人坐标系x轴移动了vt*Δt。只需将该段距离分别投影在世界坐标系x轴和y轴上就能得到t+1时刻相对于t时刻机器人在世界坐标系中坐标移动的位移Δx和Δy。
Δx＝vΔtcos(θt)
Δy＝vΔtsin(θt)
以此类推，可以推算一段时间内的轨迹：
x＝x+vΔtcos(θt)
y＝y+vΔtsin(θt)
θt＝θt+ωΔt
式中，θt为机器人移动方向与世界坐标系x轴的夹角。
根据机器人的轨迹运动模型，对速度进行采样就可以推算出轨迹。
在速度(v,ω)的二维空间中，存在无穷多组速度。但是根据机器人本身的限制和环境限制可以将采样速度控制在一定范围内：
vm＝{v∈[vmin,vmax],ω∈[ωmin,ωmax]}
由于电机力矩有限，存在最大的加减速限制，因此移动机器人轨迹前向模拟的周期内，存在一个动态窗口，在该窗口内的速度是机器人能够实际达到的速度：
Figure BDA0003275862730000141
式中vc、ωc是机器人的当前速度，其他标志对应最大加速度和最大减速度。
为了能够在碰到障碍物前停下来，因此在最大减速度条件下，速度有一个范围：
Figure BDA0003275862730000142
式中，dist(v,ω)代表机器人在当前轨迹上与最近的障碍物之间的距离，如果在这条轨迹上没有障碍物可将其设定为一个常数。
在采样的速度组中，有若干组轨迹是可行的，因此采用评价函数的方式为每条轨迹进行评价，评价函数如下：
G(v,ω)＝σ(α·heading(v,ω)+β·dist(v,ω)+γ·velocity(v,ω))
其中，heading(v,ω)是用来评价机器人在当前设定的采样速度下，达到模拟轨迹末端时的朝向和目标之间的角度差距。
velocity(v,ω)用来评价当前轨迹的速度大小。
步骤七：四足机器人避开障碍物后，无线传输模块发送定位申请，北斗导航定位四旋翼电驱动无人机和四足机器人的位置信息，并确定对接汇合点，通过无线传输模块将汇合点位置信息发送至四旋翼电驱动无人机和四足机器人，完成对接，对接方式有三种：(a)四足机器人移动四旋翼电驱动无人机静止；(b)四足机器人静止四旋翼电驱动无人机移动；(c)四足机器人和四旋翼电驱动无人机均移动。
对接方式(a)，四旋翼电驱动无人机处于悬停状态，由步骤六动力学模型，即虚拟控制量U1的升力使四旋翼电驱动无人机处于静止状态，同时四个旋翼的升力f1＝f3且f2＝f4，使四旋翼电驱动无人机实现悬停状态，北斗卫星记录四旋翼电驱动无人机位置坐标(x1,y1,z1)并发送给四足机器人。同时，四足机器人移动至坐标(x1,y1)处，四旋翼电驱动无人机通过摄像头识别四足机器人背部四旋翼电驱动无人机搭载平台锥孔颜色标识，使四旋翼电驱动无人机虚拟控制量U1的升力使四旋翼电驱动无人机处于下降状态完成对接。
对接方式(b)，四足机器人处于静止状态，北斗卫星记录四足机器人位置坐标(x,y,z)并发送给四旋翼电驱动无人机，四旋翼电驱动无人机缓慢俯冲方式飞行至四足机器人坐标处，由步骤五动力学模型，即虚拟控制量U1的升力使四旋翼电驱动无人机处于下降状态，同时四个旋翼的升力f1＞f3且f2＝f4，使四旋翼电驱动无人机实现俯冲状态，四旋翼电驱动无人机通过摄像头识别四足机器人背部四旋翼电驱动无人机搭载平台锥孔颜色标识，完成对接。
对接方式(c)，北斗卫星根据四足机器人和四旋翼电驱动无人机的位置距离确定汇合点坐标(x2,y2,z2)，四足机器人和四旋翼电驱动无人机同时移动至汇合点进行对接，由步骤五动力学模型，即虚拟控制量U1的升力使四旋翼电驱动无人机处于下降状态，同时四个旋翼的升力f1＞f3且f2＝f4，使四旋翼电驱动无人机实现俯冲状态，四旋翼电驱动无人机通过摄像头识别四足机器人背部四旋翼电驱动无人机搭载平台锥孔颜色标识，完成对接。
步骤八：使用电磁吸合装置使四旋翼电驱动无人机和四足机器人进行对接，对接完成后，判断机器人是否继续探测；
如图4(c)的电磁吸合装置，其电磁铁的吸力为：
Figure BDA0003275862730000161
式中，Φ为工作气隙磁通，B为工作气隙磁感应强度，μ0为真空磁导率，其值为4π×10-7Wb/A·m，S为磁路截面积。
如果不考虑漏磁及其它连接部位存在的气隙，认为主气隙即为衔铁行程，此时直流电磁铁的气隙(铁芯行程)磁感应强度B为：
Figure BDA0003275862730000162
式中，N为线圈匝数，I为电流强度，U为电源电压，R为绕线电阻，δ为气隙长度。
则：
Figure BDA0003275862730000163
考虑到磁路存在漏磁，实际在工作气隙中起作用的只是线圈磁势的一部分，考虑漏磁后，其电磁铁的吸力为：
Figure BDA0003275862730000164
其中Kf为漏磁系数，取值由磁路组成决定。
步骤九：若继续探测，重复以上步骤，否则北斗导航发送指定位置信息使机器人返回。
步骤十：系统结束运行。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种分体式全景智能探测机器人，其特征在于，包括四足机器人和无人机，所述四足机器人用于探测以及承载无人机；所述四足机器人和无人机上分别安装有导航系统；当四足机器人视角受限时，无人机对前方行驶路况进行信息探测；当无人机探测完毕后，通过导航系统进行定位返回四足机器人上。
2.根据权利要求1所述的分体式全景智能探测机器人，其特征在于，所述四足机器人包括机器人躯体，以及安装在机器人躯体上的机器人足和摄像头；所述机器人躯体内置主控板、无线通信模块、驱动模块、惯性测量模块和电源模块；所述主控板分别电连接摄像头、无线通信模块、驱动模块、惯性测量模块和电源模块；
所述摄像头能够探测并检测前方行驶路况，无线通信模块用来接收无人机获取的路况信息和无人机的位姿状态信息，驱动模块用来驱动机器人足行走，惯性测量模块用来测量机器人的位姿状态信息，电源模块为机器人行走提供能源。
3.根据权利要求2所述的分体式全景智能探测机器人，其特征在于，所述机器人躯体上安装有连接装置，所述连接装置包括安装在机器人躯体顶部的机器人基座，所述机器人基座上设置有锥孔；无人机底座底部固定有销钉，当四足机器人承载无人机时，所述销钉插到所述锥孔内。
4.根据权利要求3所述的分体式全景智能探测机器人，其特征在于，所述锥孔内布置有电磁铁。
5.根据权利要求1所述的分体式全景智能探测机器人，其特征在于，所述无人机安装有摄像头、主控板、驱动模块、电源模块和无线通信模块；所述主控板分别电连接摄像头、驱动模块、电源模块和无线通信模块；所述摄像头能够探测机器人前方行驶路况信息，驱动模块用来驱动无人机的螺旋桨进行调整速度和位置，无线通信模块用于发送机器人视角受限下的路况信息、向北斗导航发出定位申请和接收北斗导航传输过来的位置信息以及接收机器人位姿状态信息，电源模块为无人机行走提供能源。
6.根据权利要求1所述的分体式全景智能探测机器人，其特征在于，所述四足机器人上安装有太阳能板，所述太阳能板分别连接四足机器人和无人机的电源模块，用于为四足机器人和无人机提供能源。
7.根据权利要求1所述的分体式全景智能探测机器人，其特征在于，所述无人机采用四旋翼电驱动无人机。
8.根据权利要求1所述的分体式全景智能探测机器人，其特征在于，还包括用于控制四足机器人和无人机的远程控制台。
9.根据权利要求1所述的分体式全景智能探测机器人，其特征在于，所述远程控制台包括控制按钮、信号接收天线和显示屏，所述控制按钮用于控制四足机器人和无人机动作，所述信号接收天线实现对信息交互的接收，显示屏实现对探测信息、视频/音频信息的接收显示，同时显示四足机器人和四旋翼电驱动无人机的位置信息和状态信息。
10.一种用于全景信息探测的方法，基于权利要求1所述分体式全景智能探测机器人，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、四足机器人携带无人机进行环境探测，当四足机器人探测视觉受阻时，四足机器人停止，导航系统记录当前位置信息；
步骤2、无人机启动探测环境信息，无人机获取的环境信息回传至上位机，同时结合无线通信模块传输信息给四足机器人；
步骤3、四足机器人将接收到的信息采用DWA动态窗口法进行路径规划，避开障碍物；
步骤4、四足机器人避开障碍物后，继续进行环境探测，无线传输模块发送定位申请，导航系统定位无人机和四足机器人的位置信息，并确定对接汇合点，通过无线传输模块将汇合点位置信息发送至无人机和四足机器人，无人机返回完成对接；
步骤5、对接完成后，若继续探测，返回步骤1，否则机器人返回导航系统发送的指定位置处。
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