微小型陸空兩棲機器人地面移動控制方法

朱航等

摘 要： 針對復雜環(huán)境中移動機器人的越障需求，設計一種微小型陸空兩棲機器人，構建控制系統(tǒng)，建立機器人地面移動運動學模型?；谄椒礁蛎鎲涡螣o色卡爾曼濾波器進行位姿狀態(tài)估計，采用模糊PID實現(xiàn)了機器人的運動控制。仿真實驗結果表明，該控制方法能夠有效地控制機器人的運動。

關鍵詞： 陸空兩棲機器人； 運動學模型； SR?SSUKF； 模糊PID

中圖分類號： TN919?34； TP317.4 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著機器人性能不斷地提高，移動機器人的應用范圍大為擴展，不僅在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療、服務等行業(yè)中得到廣泛的應用，而且在城市安全、國防和空間探測等領域得到很好的應用。輪式行駛機構由于其結構簡單、控制性能好、行進速度和效率高等優(yōu)點，是地面移動機器人最常采用的形式之一[1?2]。然而普通輪式移動機器人所能翻越的障礙高度受到車輪直徑限制，制約了其在復雜環(huán)境中的應用。因此，提高輪式移動機器人的越障能力具有重要的意義。本文設計了一種微小型陸空兩棲機器人，機器人在一般情況下以地面模式移動，當遇到難以逾越的障礙時，能迅速轉換到飛行模式越過障礙。建立了機器人地面移動運動學模型，基于平方根球面單形無色卡爾曼濾波器實現(xiàn)了機器人速度和角速度控制，并進行了仿真實驗。

1 微小型陸空兩棲機器人

機器人主要由地面移動機構、飛行機構、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)和電源等組成。地面移動機構為四輪兩驅構型，飛行機構為四旋翼構型。四個車輪與四副旋翼呈十字交叉形布置。機器人車架為“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，并在部分結構薄弱處安裝支撐架，在保證機器人整體強度的同時減小重量。機器人如圖1所示。

機器人控制系統(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量單元、測高計、轉速傳感器等?？刂葡到y(tǒng)由傳感器件組成閉環(huán)，實現(xiàn)對機器人位姿的精確可靠控制。

2 地面移動運動學模型

機器人地面移動系統(tǒng)為四輪結構，其中兩輪驅動，兩輪從動。運動模型如圖3所示。其中機器人軸距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。