两轮腿式陆空两栖机器人运行控制方法

1.本发明涉及两轮腿式陆空两栖机器人运行控制方法，属于机器人控制技术领域。


背景技术：

2.两栖平台具备飞行与地面移动两种功能。部分两栖平台通过结构设计将飞行动力与地面移动动力结合提升了能量利用率，但其它采用常规结构的两栖平台实现的是两个平台互为负载时的独立作业功能，这在一定程度上造成了资源浪费。


技术实现要素：

3.针对现有两栖平台在将飞行动力与地面移动动力结合时，需将两个平台互为负载实现作业功能，造成资源浪费的问题，本发明提供一种两轮腿式陆空两栖机器人运行控制方法。
4.本发明的一种两轮腿式陆空两栖机器人运行控制方法，所述陆空两栖机器人具备地面移动平台和飞行平台；所述地面移动平台采用两轮腿式自平衡模式；飞行平台具有可倾转的四旋翼；所述控制方法包括：
5.根据起点和目的地，以达到时间为约束条件，机器人整体能耗最低为优化目标进行移动轨迹规划，并将移动轨迹按照移动方式不同分为多个路段，包括飞行路段、行走路段和协同路段；对机器人按行进路段发送对应作业模式指令；所述作业模式指令包括飞行指令、地面移动指令和协同作业指令；
6.根据作业模式指令控制机器人执行地面移动模式、飞行模式或协同作业模式；并在指令执行过程中持续判断当前指令与相邻前一指令是否发生变化，若是，则按照设定过渡模式进行模式切换；否则，继续执行当前作业模式；直到到达目的地；
7.所述设定过渡模式包括：
8.当地面移动模式与飞行模式之间相互过渡时，采用协同作业模式进行过渡；此时协同作业模式通过控制系数的改变逐渐弱化当前作业模式并逐渐强化目标作业模式，直到实现两种模式之间的切换；
9.当协同作业模式向地面移动模式或飞行模式过渡时，通过控制系数的改变逐渐强化目标作业模式并逐渐弱化另一种作业模式，直到过渡至地面移动模式或飞行模式；
10.当地面移动模式向协同作业模式过渡时，通过控制系数的改变引入飞行模式与地面移动模式共同作业；
11.当飞行模式向协同作业模式过渡时，首先降低机器人飞行高度至腿部接地，然后通过控制系数的改变引入地面移动模式与飞行模式共同作业；
12.在地面移动模式下，还根据传感器采集数据判断是否由地面移动模式转为协同作业模式；所述协同作业模式通过控制系数的改变引入飞行模式与地面移动模式共同作业。
13.根据本发明的两轮腿式陆空两栖机器人运行控制方法，
14.在飞行模式下，由飞行平台提供机器人飞行所需的升力；地面移动平台提供动力
保证腿部回收至最高点，并保证腿的轮部固定；
15.在地面移动模式下，由地面移动平台提供机器人在地面上行走、转向、调整高度、适应复杂路面的动力；
16.在协同作业模式下，由飞行平台和地面移动平台共同提供机器人运动的动力。
17.根据本发明的两轮腿式陆空两栖机器人运行控制方法，所述控制系数包括减重系数、横滚辅助系数、偏航辅助系数以及平衡辅助系数，四个系数的上限均为1，下限均为0；
18.其中减重系数用于调节飞行平台的驱动单元为机器人提供的升力；横滚辅助系数用于调节飞行平台的驱动单元为机器人提供的横滚角平衡力矩；偏航辅助系数用于调节飞行平台的驱动单元为机器人提供的偏航角平衡力矩；平衡辅助系数用于调节飞行平台的驱动单元为机器人提供的俯仰角平衡力矩和前进力；
19.当四个系数均为0时，机器人处于地面移动模式；当四个系数均为1时，机器人处于飞行模式；
20.四个系数由0至1变化时，对应的调节变量按正比例变化。
21.根据本发明的两轮腿式陆空两栖机器人运行控制方法，由地面移动模式向协同作业模式过渡的条件包括：
22.1)通过负载质量确定：
23.通过压力传感器采集地面移动平台的负载质量；
24.通过关节电机编码器采集机器人腿部左右髋关节的角度，结合负载质量计算髋关节所需输出力矩，若髋关节所需输出力矩大于髋关节额定扭矩，则使机器人由地面移动模式向协同作业模式过渡；
25.在协同作业模式下：
26.根据负载质量与腿部所能支撑最大负载计算飞行平台的驱动单元需要为机器人提供的升力；以机器人整机质量为上限对升力进行归一化处理，获得减重系数；所述升力通过旋翼提供；
27.同时对负载位置进行判断，若负载位置在冠状面内存在偏差，机身横滚角超出设定阈值，则根据目标横滚角、姿态传感器采集的实际横滚角与实际横滚角速度进行pid计算，获得当前横滚角平衡力矩；以飞行平台的驱动单元能够提供的最大横滚稳定力矩为上限对所述当前横滚角平衡力矩进行归一化处理，得到横滚辅助系数；
28.2)通过外部扰动确定：
29.通过姿态传感器采集机器人机身实际偏航角、偏航角速度和偏航角加速度，若存在其中之一超出对应设定阈值，确定机器人处于即将失稳状态，则使机器人由地面移动模式向协同作业模式过渡；
30.在协同作业模式下，若实际偏航角超出设定阈值，则根据目标偏航角、实际偏航角、实际偏航角速度进行pid计算，得到当前偏航力矩；以四个旋翼能够提供的最大偏航力矩为上限，对当前偏航力矩进行归一化处理得到偏航辅助系数；按照偏航辅助系数对飞行平台进行控制使机器人机身偏航角稳定；
31.当机身实际俯仰角与目标俯仰角的偏差超出设定阈值时，使机器人由地面移动模式向协同作业模式过渡；
32.在协同作业模式下，根据目标俯仰角、实际俯仰角以及实际俯仰角速度进行pid计
算，得到当前俯仰力矩；以飞行平台的驱动单元能够提供的最大俯仰力矩为上限对当前俯仰力矩进行归一化处理，得到平衡辅助系数。
33.根据本发明的两轮腿式陆空两栖机器人运行控制方法，由地面移动模式向协同作业模式过渡的条件还包括：
34.3)通过视觉传感器采集的图片对前方路况进行判断，若前方路面宽度小于机器人双轮通过条件，大于单轮通过条件，使机器人由地面移动模式向协同作业模式过渡，此时地面移动模式为单轮模式；
35.在协同作业模式下，根据机器人动力学模型计算单轮支撑状态下抬腿侧两个旋翼所需要提供的升力，并通过飞行平台的驱动单元控制所述两个旋翼提供升力，同时将横滚辅助系数置为1；抬腿侧的抬腿高度根据视觉传感器反馈的前方路况确定。
36.根据本发明的两轮腿式陆空两栖机器人运行控制方法，由地面移动模式向飞行模式过渡的条件包括：
37.通过视觉传感器采集的图片对前方路况进行判断，若前方路面宽度小于机器人单轮通过条件，则使机器人由地面移动模式直接切换至飞行模式。
38.根据本发明的两轮腿式陆空两栖机器人运行控制方法，所述地面移动平台通过地面移动平台控制模块控制；飞行平台通过飞行平台主控制模块控制；
39.作业模式指令通过地面站和遥控器输入；
40.地面站通过串口无线通讯模块向飞行平台主控制模块发送作业模式指令；遥控器通过sbus接收机向飞行平台主控制模块发送作业模式指令；
41.飞行平台主控制模块通过控制飞行平台的驱动单元实现对飞行平台的驱动；地面移动平台控制模块通过控制地面移动平台的驱动单元实现对地面移动平台的控制。
42.根据本发明的两轮腿式陆空两栖机器人运行控制方法，飞行平台的驱动单元包括前倾转舵机、后倾转舵机和四个旋翼电机；每个旋翼电机配置一个电调；
43.飞行平台主控制模块基于移动轨迹的路段及传感器数据计算确定倾转角度和移动速度，结合机器人当前状态信息计算得到控制量，所述控制量通过pwm信号的方式发送给倾转舵机和旋翼电机，实现对飞行平台的控制。
44.根据本发明的两轮腿式陆空两栖机器人运行控制方法，地面移动平台的驱动单元包括左髋关节电机、右髋关节电机、左轮毂电机和右轮毂电机；
45.地面移动平台控制模块与飞行平台主控制模块连接，基于移动轨迹的路段及传感数据计算获得地面移动平台控制信号；地面移动平台的驱动单元根据地面移动平台控制信号控制髋关节电机和轮毂电机实现对地面移动平台的控制。
46.根据本发明的两轮腿式陆空两栖机器人运行控制方法，地面移动平台控制模块与飞行平台主控制模块之间通过spi方式进行通讯。
47.本发明的有益效果：本发明方法将飞行动力与地面驱动动力协同控制，实现两个平台共同出力，来提升机器人驱动单元的利用率，可以在很大程度上提升机器人的极限负载与稳定能力，将协同模式作为飞行模型与行走模式间的过渡模式还可以有效地提高平台在起飞与降落过程中的稳定性。使机器人在相对平坦的地面上移动时，可以利用地面移动平台独立作业降低平台功耗；当工况相对苛刻时，通过协同算法保证平台正常作业，可以有效地扩展平台的应用范围。
48.本发明方法主要针对地面移动采用两轮腿式自平衡模式并且飞行动力具备倾转能力的陆空两栖机器人。在本发明方法的控制下，机器人的两轮腿式地面移动模式兼具足式的地面适应性与轮式的高速高效性，可以在平坦路面上快速行走并且可以适应不平坦的路面。飞行平台采用可倾转的四旋翼可以使飞行平台为地面移动模块提供的动力更加灵活，防止拉升力和前进动力的耦合，避免飞行平台动力与地面移动平台动力之间产生对抗，从而提高机器人的稳定性和控制精度。
附图说明
49.图1是本发明所述两轮腿式陆空两栖机器人运行控制方法的流程图；
50.图2是本发明所述两轮腿式陆空两栖机器人的整体框架示意图；
51.图3是本发明方法的控制模式架构图；
52.图4是飞行模式的实现方法流程图；
53.图5是地面移动模式的实现方法流程图；
54.图6是协同作业模式的实现方法流程图。
具体实施方式
55.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
56.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
57.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
58.具体实施方式一、结合图1所示，本发明提供了一种两轮腿式陆空两栖机器人运行控制方法，所述陆空两栖机器人具备地面移动平台和飞行平台；所述地面移动平台采用两轮腿式自平衡模式；飞行平台具有可倾转的四旋翼；所述控制方法包括：
59.根据起点和目的地，以达到时间为约束条件，机器人整体能耗最低为优化目标进行移动轨迹规划，并将移动轨迹按照移动方式不同分为多个路段，包括飞行路段、行走路段和协同路段；对机器人按行进路段发送对应作业模式指令；所述作业模式指令包括飞行指令、地面移动指令和协同作业指令；
60.根据作业模式指令控制机器人执行地面移动模式、飞行模式或协同作业模式；并在指令执行过程中持续判断当前指令与相邻前一指令是否发生变化，若是，则按照设定过渡模式进行模式切换；否则，继续执行当前作业模式；直到到达目的地；
61.所述设定过渡模式包括：
62.当地面移动模式与飞行模式之间相互过渡时，采用协同作业模式进行过渡；此时协同作业模式通过控制系数的改变逐渐弱化当前作业模式并逐渐强化目标作业模式，直到实现两种模式之间的切换；
63.当协同作业模式向地面移动模式或飞行模式过渡时，通过控制系数的改变逐渐强化目标作业模式并逐渐弱化另一种作业模式，直到过渡至地面移动模式或飞行模式；
64.当地面移动模式向协同作业模式过渡时，通过控制系数的改变引入飞行模式与地面移动模式共同作业；
65.当飞行模式向协同作业模式过渡时，首先降低机器人飞行高度至腿部接地，然后通过控制系数的改变引入地面移动模式与飞行模式共同作业；
66.在地面移动模式下，还根据传感器采集数据判断是否由地面移动模式转为协同作业模式；所述协同作业模式通过控制系数的改变引入飞行模式与地面移动模式共同作业。
67.进一步，结合图3所示，在飞行模式下，由飞行平台独立提供机器人飞行所需的升力并保证机器人稳定；地面移动平台提供动力保证腿部能够回收至最高点，并保证腿的轮部固定，不发生转动；
68.在地面移动模式下，由地面移动平台驱动单元独立实现对机器人的控制，由地面移动平台提供机器人在地面上行走、转向、调整高度、适应复杂路面的动力；此时机器人的整体能耗较低；
69.当机器人需要在地面上支撑更大负载或需要提升机器人的稳定性时，可以切换至协同作业模式；
70.在协同作业模式下，由飞行平台和地面移动平台共同提供机器人运动的动力，并且两个平台之间不存在对抗出力的情况，不造成额外的能量损耗。飞行平台驱动单元与地面移动平台的驱动单元同时作用以保证机器人的稳定与基本功能。
71.再进一步，所述控制系数包括减重系数、横滚辅助系数、偏航辅助系数以及平衡辅助系数，四个系数的上限均为1，下限均为0；
72.其中减重系数用于调节飞行平台的驱动单元为机器人提供的升力；横滚辅助系数用于调节飞行平台的驱动单元为机器人提供的横滚角平衡力矩；偏航辅助系数用于调节飞行平台的驱动单元为机器人提供的偏航角平衡力矩；平衡辅助系数用于调节飞行平台的驱动单元为机器人提供的俯仰角平衡力矩和前进力；
73.当四个系数均为0时，飞行平台驱动单元基本不向机身提供辅助力或力矩，此时机器人完全在地面移动平台驱动单元的作用下作业，机器人处于地面移动模式；当四个系数均为1时，两栖机器人处于飞行模式；根据飞行模式下的控制算法，平台所需升力和稳定力矩完全由飞行平台驱动单元提供，腿部回收，轮部停转。
74.四个系数由0至1变化时，对应的调节变量按正比例变化。通过同时控制四个系数的大小即可实现飞行模式、地面移动模式以及协同作业模式间的切换，协同作业模式一方面可以提升机器人在地面移动过程中的负载能力和稳定性，使机器人具备更多的功能；另一方面作为飞行模式和地面移动模式间的过渡模式可以保证机器人在起降过程中的柔顺性。
75.协同作业模式可以作为飞行模式与地面移动模式间的过渡状态提升垂直起降过程的柔顺性与稳定性。在机器人垂直起降过程中通过同时将四个系数逐渐在0和1之间切换即可实现两种模式间的柔顺切换，提升机器人起降过程中的稳定性。
76.结合图2至图6所示，通过对协同作业模式的设计，可以使机器人具备额外的作业效果或提升其自身性能，具体如下：
77.由地面移动模式向协同作业模式过渡的条件包括：
78.1)通过负载质量确定：
79.当机器人在地面上面对较大负载，左右髋关节电机无法提供足够的支撑力时，飞行平台可以利用旋翼为机身提供额外的支持力。
80.实现方式为：当负载平台压力传感器数值超出阈值时，机器人判定此时处于负载状态；
81.通过压力传感器采集地面移动平台的负载质量；根据压力传感器的实际数值可以得到当前的负载质量；
82.通过关节电机编码器采集机器人腿部左右髋关节的角度，结合负载质量计算髋关节所需输出力矩，若髋关节所需输出力矩大于髋关节额定扭矩，则使机器人由地面移动模式向协同作业模式过渡；
83.在协同作业模式下：
84.根据负载质量与腿部所能支撑最大负载计算飞行平台的驱动单元需要为机器人提供的升力；以机器人整机质量为上限对升力进行归一化处理，获得减重系数；所述升力通过旋翼提供；
85.同时对负载位置进行判断，若负载位置在冠状面内存在偏差，造成两腿高度不一致时，机身横滚角超出设定阈值，则根据目标横滚角、姿态传感器采集的实际横滚角与实际横滚角速度进行pid计算，获得当前横滚角平衡力矩；以飞行平台的驱动单元能够提供的最大横滚稳定力矩为上限对所述当前横滚角平衡力矩进行归一化处理，得到横滚辅助系数；通过协同作业模式中的控制算法即可实现对机身横滚角的稳定控制。
86.例如当机器人面对较大负载时，髋关节电机无法对机身提供足够的支撑力，此时可以利用旋翼为机身提供向上的升力，防止腿部被压溃；
87.2)通过外部扰动确定：
88.当机器人所受扰动超出地面移动平台所能承受的范围时，机器人可以进入协同作业模式，飞行平台与地面移动平台同时对机身姿态进行控制，最大程度提升机器人的稳定性。
89.实现方式为：通过姿态传感器采集机器人机身实际偏航角、偏航角速度和偏航角加速度，若存在其中之一超出对应设定阈值，确定机器人处于即将失稳状态，此时启动飞行平台驱动单元，则使机器人由地面移动模式向协同作业模式过渡；
90.在协同作业模式下，若实际偏航角超出设定阈值，则根据目标偏航角、实际偏航角、实际偏航角速度进行pid计算，得到当前偏航力矩；以四个旋翼能够提供的最大偏航力矩为上限，对当前偏航力矩进行归一化处理得到偏航辅助系数；按照偏航辅助系数对飞行平台进行控制使机器人机身偏航角稳定；当机身偏航角处于阈值内稳定一段时间后，逐渐降低偏航辅助系数至0，此时机器人重新回到地面移动模式。当俯仰姿态超出阈值时，对平衡辅助系数的调整与上述方法一致。
91.当机器人面对较大的外部扰动，轮部力矩无法保证机器人稳定时，飞行平台可以为机身提供额外的稳定力矩，提升机器人的抗干扰能力。
92.当机器人面对前后偏心负载或机器人腿部采用单自由度结构时，机器人的实际目标俯仰角度将不等于0，导致机器人无法平衡在机身俯仰水平的位置，此时可以通过协同作业模式使机器人的机身俯仰角保持为0
°
附近，以满足搭载特殊负载的任务。
93.具体实施方式为：当机器人负载平台压力传感器数值超过一定的阈值时，系统判
定机器人进入负载模式，设定此时机身目标俯仰角为0。当机身实际俯仰角与目标俯仰角的偏差超出设定阈值时，启动飞行平台驱动单元，使机器人由地面移动模式向协同作业模式过渡；
94.在协同作业模式下，根据目标俯仰角、实际俯仰角以及实际俯仰角速度进行pid计算，得到当前俯仰力矩；以飞行平台的驱动单元能够提供的最大俯仰力矩为上限对当前俯仰力矩进行归一化处理，得到平衡辅助系数。通过协同控制算法使机器人可以在0
°
俯仰角附近平衡，满足负载搬运任务。
95.再进一步，由地面移动模式向协同作业模式过渡的条件还包括：
96.3)通过视觉传感器采集的图片对前方路况进行判断，当地形过窄，只能允许一个轮子通过时，可以通过协同控制算法保证机身横滚角水平，使一条腿脱离地面，保证机器人正常行驶。具体实现方式为：根据机身搭载的视觉传感器对前方路面情况进行判断，若前方路面宽度小于机器人双轮通过条件，大于单轮通过条件，使机器人由地面移动模式向协同作业模式过渡，此时地面移动模式为单轮模式；
97.在协同作业模式下，根据机器人动力学模型计算单轮支撑状态下抬腿侧两个旋翼所需要提供的升力，并通过飞行平台的驱动单元控制所述两个旋翼提供升力，同时将横滚辅助系数置为1，此时机器人可以将该侧的腿抬起而横滚角不会失稳；抬腿侧的抬腿高度根据视觉传感器反馈的前方路况确定。如果没有抬腿高度的要求，可以将髋关节目标角度保持在原始高度。
98.当机器人面对较窄的路面，无法保证两个轮子通过时，可以抬起一条腿，由该侧的旋翼提供向上的升力使机器人在冠状面内保持稳定。
99.再进一步，由地面移动模式向飞行模式过渡的条件包括：
100.通过视觉传感器采集的图片对前方路况进行判断，若前方路面宽度小于机器人单轮通过条件，则使机器人由地面移动模式直接切换至飞行模式。越过该路段后，机器人着陆重新回到地面移动模式。
101.再进一步，结合图2所示，所述地面移动平台通过地面移动平台控制模块控制；飞行平台通过飞行平台主控制模块控制；
102.作业模式指令在机器人根据实际情况进行切换以外，还可以通过地面站和遥控器输入；
103.地面站通过串口无线通讯模块向飞行平台主控制模块发送作业模式指令；遥控器通过sbus接收机向飞行平台主控制模块发送作业模式指令；
104.飞行平台主控制模块通过控制飞行平台的驱动单元实现对飞行平台的驱动；地面移动平台控制模块通过控制地面移动平台的驱动单元实现对地面移动平台的控制。
105.再进一步，结合图2所示，飞行平台的驱动单元包括前倾转舵机、后倾转舵机和四个旋翼电机；每个旋翼电机配置一个电调；
106.飞行平台主控制模块基于移动轨迹的路段及传感器数据计算确定倾转角度和移动速度，结合机器人当前状态信息计算得到控制量，所述控制量通过pwm信号的方式发送给倾转舵机和旋翼电机，实现对飞行平台的控制。
107.地面移动平台的驱动单元包括左髋关节电机、右髋关节电机、左轮毂电机和右轮毂电机；
108.地面移动平台控制模块与飞行平台主控制模块连接，基于移动轨迹的路段及传感数据计算获得地面移动平台控制信号；地面移动平台的驱动单元根据地面移动平台控制信号控制髋关节电机和轮毂电机实现对地面移动平台的控制。
109.地面移动平台控制模块与飞行平台主控制模块之间通过spi方式进行通讯。
110.下面对本发明方法的具体实施过程进行说明：
111.1、机器人获取外部信息的方法以及控制驱动单元的方式
112.结合图2所示，控制指令的输入有地面站和遥控器两种方式，地面站通过串口无线通讯模块向飞行平台主控制模块发送控制指令，同时读取两栖机器人所有的状态信息显示并存储在地面站中；遥控器通过sbus接收机向飞行平台主控制模块发送控制指令。两栖机器人在机身处搭载了姿态传感器可以读取俯仰、横滚以及偏航三个方向上的角度、角速度以及角加速度；在负载平台上搭载了压力传感器可以得到当前负载的实际质量；在机身前向搭载视觉传感器可以获取前方路面情况并进行处理，以便机器人决策出适当的移动模式。
113.飞行平台驱动单元主要包括前后两个倾转舵机、四个旋翼电机，每个旋翼电机都配有电调。在控制过程中，飞行平台主控制模块根据倾转舵机返回的角度与角速度信息，结合当前控制算法确定的目标倾转角度进行pid运算求得当前目标倾转角速度，通过pwm信号发送给前后两个倾转舵机即可实现倾转角度控制；根据当前控制算法解得的目标旋翼转速可以通过pwm信号发送给旋翼电机对应的电调，电调将pwm信号转换成三相电压信号即可实现对旋翼转速的控制。
114.地面移动平台驱动单元主要包括左右两个髋关节电机和左右两个轮毂电机，髋关节电机采用mit控制模式，可以同时控制目标角度、转速以及输出力矩，在本实施方式中采用的是位置与力矩混合控制的方式，地面移动平台控制模块将目标位置和力矩通过can消息发送给髋关节电机即可实现对腿部的控制，同时电机也通过can通讯的方式将电机的实际角度、角速度以及力矩信息反馈给地面移动平台控制模块。
115.轮毂电机采用力矩控制模式，地面移动平台控制单元将计算出的目标输出力矩通过can消息发送给轮毂电机驱动器，驱动器将控制指令转换为三相电压信号进而驱动轮毂电机转动，同时电机的实际转动角度、角速度等信息可以通过can通讯的方式返回给地面移动平台控制单元。
116.飞行平台主控制模块与地面移动平台控制单元之间通过spi方式进行通讯，飞行平台主控制模块向地面移动平台控制模块发送当前机身的姿态信息，包括俯仰、偏航以及横滚三个方向上的角度、角速度以及角加速度，同时还将接收到的控制指令发送给地面移动平台驱动单元。地面移动平台控制模块主要将左右髋关节电机和左右轮毂电机的实际角度、角速度以及力矩信息返回给飞行平台主控制模块。
117.2、两栖机器人作业模式、飞行动力分配方式、腿部补偿力矩计算方式：
118.两栖机器人控制算法具备地面移动模式、飞行模式以及协同作业模式，如图3所示。地面移动模式即关闭飞行平台驱动单元，完全由地面移动平台驱动单元实现机器人的地面移动功能；飞行模式下机身所需的升力、前进力以及三相稳定力矩均有飞行平台驱动单元提供；协同作业模式下地面移动平台驱动单元与飞行平台驱动单元共同作业。在不同控制模式下，控制算法均会计算得到当前的髋关节目标角度和目标输出力矩、轮毂电机目
标输出力矩以及机身所需的三向稳定力矩、前进力以及升力。结合机器人动力学进行动力分配即可求得当前的旋翼目标转速以及舵机目标倾角。在髋关节控制过程中，若腿部处于支撑状态(例如地面移动模式)，则目标输出力矩为根据机身质量以及当前负载质量计算出的支撑力矩；当腿部处于抬起状态(例如飞行模式、单腿移动模式)，则目标输出力矩为依据机器人动力学模型计算出的单腿重力补偿力矩。
119.3、两栖机器人启动与决策方式：
120.在每次开始作业时，机器人驱动单元处于失能状态，腿部受机身重力的影响完全压缩，两个轮毂电机与两个膝关节四点着地，机器人处于平衡状态。当机器人收到启动指令时，对各个传感器进行初始化，同时对各驱动单元进行使能，将髋关节电机位置置零，即令腿部完全回收的状态下髋关节角度为0。完成控制算法初始化后，控制模块向地面站返回初始化完成信号，此时可以通过地面站向机器人发送目标移动位置，结合飞行平台和地面移动平台驱动单元的能耗情况进行路径规划，机器人可以自行判断需要切换至的移动模式。在地面移动过程中，机器人腿部默认保持在最低位置，若视觉传感器检测到前方有障碍物会对障碍物信息进行处理，例如机器人可以从两腿间跨过障碍物时，控制算法将自动计算所需最小的机身高度，通过机器人运动学转换为髋关节目标角度并发送给左右髋关节电机；若机器人可以从中间穿过障碍物，控制算法将自动计算所需的最高高度，转换为髋关节目标角度并发送给左右髋关节电机。若无法穿过或跨过障碍物，控制算法可以自行规划出一条可以通过的路径，通过轮部控制航向跟踪既定轨迹。若障碍物不满足两轮移动模式的需求，则优先考虑单轮移动模式，若仍无法通过，则采用飞行模式越障。
121.4、飞行控制模式具体实现方案：
122.飞行模式控制实现方式如图4所示，首先将gps检测到的移动速度和距离信息以及目标移动速度引入pid环，计算得到目标俯仰角度的偏差值，此时偏差值即为飞行平台的目标俯仰角度，目标航向即为平台的目标偏航角度，之后根据目标姿态角计算得到飞行平台动力模块需要为机身提供的三向力和三向力矩，结合机器人动力学模型进行动力分配得到舵机目标倾转角度和旋翼目标转速。同时在飞行模式中，轮部需要始终保持在初始位置不动，为了防止飞行过程中轮部转动，需要对轮毂电机使能并利用轮毂电机返回的角度与角速度信息做pid控制得到当前的目标控制力矩并发送给轮毂电机；腿部需要完全回收，设定此时髋关节目标角度为0，输出力矩为单腿重力补偿力矩。
123.5、地面移动模式具体实现方案：
124.地面移动模式控制实现方式如图5所示，两轮腿式地面移动平台采用串级控制架构，将轮毂电机返回的角度和角速度信息作为位置反馈引入pid环中，计算得到目标俯仰角偏差，根据机器人整体的运动学模型可以计算得到腿部不同高度下机身质心位置，进而可以求得机器人平衡时的俯仰角度，将平衡时的俯仰角度和俯仰角偏差相加得到此时的目标俯仰角度，与机身实际俯仰角、俯仰角速度同时引入pd控制器中，将目标航向角与实际偏航角、偏航角速度引入另一个pd控制器，将两个控制器的结果求和即可得到此时轮毂电机的目标输出力矩，通过can通讯方式发送给轮毂电机驱动器即可，本实施方式中提到的速度pid环、俯仰pd环以及偏航角pd环参数均随着负载平台压力传感器检测到的负载质量增大而增大。在腿部控制方面，首先读取左右髋关节角度信息，通过整机动力学模型计算此时髋关节支撑机身质量和负载质量所需提供的力矩，作为电机控制指令的一部分发送给髋关节
电机，另外将控制算法计算得到的当前机身高度通过整机运动学求得当前左右髋关节的目标角度，作为电机控制指令的另一部分发送给髋关节电机，最终实现了对腿部的控制。
125.6、协同作业模式具体实现方案：
126.协同控制算法的具体实现方式如图6所示，目标俯仰角的求解与地面移动模式中一致，将目标姿态角度同时发送给飞行平台和地面移动平台控制模块，地面移动平台的具体控制方式与地面移动模式中一致；飞行平台的控制方式与飞行模式中类似，不过存在以下几点不同：第一，控制算法计算得到的三向力和三向力矩需要分别乘以减重系数、俯仰辅助系数、偏航辅助系数以及横滚辅助系数；第二，在利用速度环pid计算目标姿态角时，以轮部返回的角度和角速度信息作为反馈。
127.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。