朱航等

摘 要： 針對(duì)復(fù)雜環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人的越障需求，設(shè)計(jì)一種微小型陸空兩棲機(jī)器人，構(gòu)建控制系統(tǒng)，建立機(jī)器人地面移動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型?；谄椒礁蛎鎲涡螣o色卡爾曼濾波器進(jìn)行位姿狀態(tài)估計(jì)，采用模糊PID實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制方法能夠有效地控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

關(guān)鍵詞： 陸空兩棲機(jī)器人； 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型； SR?SSUKF； 模糊PID

中圖分類號(hào)： TN919?34； TP317.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）08?0054?04

Terrestrial locomotion control method of miniature land?air hybrid robot

ZHU Hang， SHI Jia?dong， WANG Jian?zhong， MA Jian

（State Key Laboratory of Explosion Science and Technology， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China）

Abstract： In order to meet the need of obstacle crossing for mobile robot in complex environment， a miniature land?air hybrid robot and its control system were designed. Kinematic model of terrestrial locomotion of the robot was set up. Robots position and orientation estimation was achieved by using square root spherical simplex unscented Kalman filter. Motion control of the robot was realized by fuzzy PID. Simulation results show that the control method can effectively control the movement of the robot.

Keywords： land?air hybrid robot； kinematic model； SR?SSUKF； fuzzy PID

隨著機(jī)器人性能不斷地提高，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍大為擴(kuò)展，不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，而且在城市安全、國防和空間探測(cè)等領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。輪式行駛機(jī)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制性能好、行進(jìn)速度和效率高等優(yōu)點(diǎn)，是地面移動(dòng)機(jī)器人最常采用的形式之一[1?2]。然而普通輪式移動(dòng)機(jī)器人所能翻越的障礙高度受到車輪直徑限制，制約了其在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用。因此，提高輪式移動(dòng)機(jī)器人的越障能力具有重要的意義。本文設(shè)計(jì)了一種微小型陸空兩棲機(jī)器人，機(jī)器人在一般情況下以地面模式移動(dòng)，當(dāng)遇到難以逾越的障礙時(shí)，能迅速轉(zhuǎn)換到飛行模式越過障礙。建立了機(jī)器人地面移動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，基于平方根球面單形無色卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人速度和角速度控制，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

1 微小型陸空兩棲機(jī)器人

機(jī)器人主要由地面移動(dòng)機(jī)構(gòu)、飛行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)和電源等組成。地面移動(dòng)機(jī)構(gòu)為四輪兩驅(qū)構(gòu)型，飛行機(jī)構(gòu)為四旋翼構(gòu)型。四個(gè)車輪與四副旋翼呈十字交叉形布置。機(jī)器人車架為“X”形，車輪安裝在車身骨架外伸的末端。車架及車輪大量采用碳纖維材料，并在部分結(jié)構(gòu)薄弱處安裝支撐架，在保證機(jī)器人整體強(qiáng)度的同時(shí)減小重量。機(jī)器人如圖1所示。

機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由遙控終端、控制器及傳感器件等組成，如圖2所示。其中，傳感器件包括慣性測(cè)量單元、測(cè)高計(jì)、轉(zhuǎn)速傳感器等?？刂葡到y(tǒng)由傳感器件組成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人位姿的精確可靠控制。

2 地面移動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

機(jī)器人地面移動(dòng)系統(tǒng)為四輪結(jié)構(gòu)，其中兩輪驅(qū)動(dòng)，兩輪從動(dòng)。運(yùn)動(dòng)模型如圖3所示。其中機(jī)器人軸距L=600 mm，前軸到重心的距離a=300 mm，后軸到重心的距離b=300 mm，輪距2c=494 mm，車輪半徑r=150 mm。