一种髋膝可驱动仿生着陆腿式六旋翼无人机及其控制方法

1.本发明涉及六旋翼无人机领域，尤其涉及一种髋膝可驱动仿生缓冲着陆腿式六旋翼无人机及其控制方法。


背景技术：

2.如今，多旋翼无人机的使用频率极高，使用领域广阔，在军事及民用领域均较广泛，特别是由于其突出的小巧、方便、易于操作的特点，其应用工作范围也越来越宽泛，但多旋翼无人机的使用条件常常受到各种自然地理条件的影响，在斜坡及凹凸不平的地面上起降时具有一定的局限性，对其任务的执行产生不利影响。
3.现阶段旋翼飞行器的起落架主要采取橇式起落架和支柱式起落架。且安装时主要采用固定安装在机身腹部的方式，结构相对固定，自由度低，虽然结构重量较轻，增加了续航能力，但却使得其针对复杂地形的适应力减弱，由于缺乏地形自适应的能力，在复杂地面进行起降时，往往需要操控人员根据经验和操控技术额外进行调控，大大增加起飞难度，当操作人员视线受阻无法得到多旋翼无人机的起降的地面信息时，甚至常会发生无人机无法降落或者侧翻损坏的事故。
4.为了解决复杂地形无人机难以完成起降落的问题，现有公布的无人机设计方案中，能够自适应地形的无人机种类较少，现有技术提供了如下方案：公开号为cn209274889u的《一种植保无人飞机复杂地形自适应起落架》中提出了一种采用四根独立伸缩的杆结构作为无人机起落架的地形自适应方案。这样的结构，就使得每个支腿只能改变足端的落点高度，不能改变足端落点的平面位置，在横向上的自适应能力并不出色。而本发明中使用的多关节双电机结构，一定程度上解决了着陆腿活动范围小的问题。
5.专利号为cn109204785a的《一种全地形自适应性无人机垂直起降起落架》中提出的全地形自适应起落架，其每个承载柱只能在导轨上移动，可移动范围有限，可以选择的落点因而也有限。本发明中提出的髋膝可驱动多关节双电机结构可以在较大范围内实时调整着陆腿的姿态，提升了无人机在凹凸不平和斜坡等自然环境下的着陆稳定性和安全性，同时通过三角形活动关节组，提高了无人机重量和下沉速度增大后的抗冲击能力。
6.因此，如何对无人机进行优化，使其可以满足复杂地形自适应起降落，就成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

7.本发明针对以上问题，提出了一种髋膝可驱动仿生缓冲着陆腿式六旋翼无人机，能够操纵仿生着陆腿大范围变形以满足复杂地形自适应起降，拓展了无人机的功能范围。
8.本发明的技术方案为：所述无人机具有安装平台700，在安装平台700上连接有四个仿生着陆腿800，所述仿生着陆腿800包括髋关节组、髋膝连接组、膝踝连接组、踝足连接组、足垫820以及髋关节电机803、膝关节电机807、缓冲器812；
9.所述髋关节组包括固定连接在安装平台700上的髋连接件802，所述髋膝连接组包
括与髋连接件802铰接的髋膝连接件804，所述髋关节电机803的壳体固定连接在髋连接件802上，并且髋关节电机803的输出轴固定连接髋膝连接件804，通过髋关节电机803带动髋膝连接件804往复转动；
10.所述膝关节电机807的壳体固定连接所述髋膝连接件804，所述膝踝连接组包括平行设置且固定相连的膝踝连接件一808、膝踝连接件二810，所述膝踝连接件一808以及膝踝连接件二810的顶端同时铰接髋膝连接件804，并且同时与膝关节电机807的输出轴固定相连，通过膝关节电机807带动膝踝连接组整体往复转动；
11.所述踝足连接组包括平行设置且固定相连的踝足连接件一815、踝足连接件二817，所述踝足连接件一815及踝足连接件二817的顶端同时铰接膝踝连接组，所述缓冲器812的两端则分别铰接在膝踝连接组的中部以及踝足连接组的中部，通过缓冲器在膝踝连接组和踝足连接组相对旋转时，提供良好的支撑以及阻尼；
12.所述踝足连接件一815及踝足连接件二817的底端同时通过球铰连接足垫820。
13.进一步的，所述仿生着陆腿800具有髋关节、膝关节、踝关节三个关节，在髋关节组、髋膝连接组之间的连接位置形成髋关节，在髋膝连接组、膝踝连接组之间的连接位置形成膝关节，在膝踝连接组、踝足连接组之间形成踝关节。
14.关于髋关节的结构强度增强机构，所述髋关节组还包括髋连接加强件801，所述髋连接件802呈l字形，所述髋连接加强件801呈楔形，且固定连接在髋连接件802l字形的内侧顶角处。从而对髋连接件802的结构强度起到显著增强的作用。
15.关于髋膝连接组的结构强度增强机构，所述髋膝连接组还包括髋膝加强件一805、髋膝加强件二806，所述髋膝连接件804的两端分别铰接髋关节组以及膝踝连接组，所述髋膝加强件一805以及髋膝加强件二806则分别平行的固定连接在髋膝连接件804的两侧，并且髋膝加强件一805、髋膝加强件二806的两端也分别铰接髋关节组以及膝踝连接组。从而通过两侧的髋膝加强件一805、髋膝加强件二806对髋膝连接件804的连接稳定性、连接强度进行良好有效的补强，对于仿生着陆腿中受力最大的部件进行有效的强度补充。
16.关于膝踝连接组的结构强度增强机构，所述膝踝连接组还包括膝踝加强件一809、膝踝加强件二811，所述膝踝加强件一809呈圆盘状、且固定连接在所述膝踝连接件一808的顶端和膝踝连接件二810的顶端之间，并且膝踝加强件一809套装在膝关节电机807的输出轴上；
17.所述膝踝加强件二811呈长条形块状，且固定连接在所述膝踝连接件一808的中部和膝踝连接件二810的中部之间；从而通过膝踝加强件一809、膝踝加强件二811有效增强膝踝连接组整体的结构强度，并为缓冲器提供安装基础。
18.关于踝足连接组的结构强度增强机构，所述踝足连接组还包括踝足加强件816，所述踝足加强件816也呈长条形块状，且固定连接在所述踝足连接件一815的中部和踝足连接件二817的中部之间；从而通过踝足加强件816有效增强踝足连接组整体的结构强度，并为缓冲器及足垫提供安装基础。
19.进一步的，所述缓冲器812的缸体铰接所述膝踝加强件二811，所述缓冲器812的缓冲器活塞813则铰接所述踝足加强件816。
20.进一步的，所述球铰包括转动连接的球铰上段818和球铰下段819，所述球铰上段818固定连接在踝足加强件816的底部，所述球铰下段819则固定连接在足垫820上。
21.为了便于飞行器位置调整，设计基于pid控制方法的位置回路控制器；该控制器的输入为期望位置与反馈位置的差值；通过输出三个虚拟控制量、、实现对飞行器位置的控制；
22.，其中为方向制量，为方向控制量，为方向控制量；为比例环节系数，为积分环节系数，为微分环节系数。为位置反馈误差，具体表示如下：
23.，之后通过控制器输出的三个虚拟控制量以及期望偏航角求得期望升力及姿态角：，其中，为期望升力，为期望姿态角，为飞行器质量，为重力加速度；进而根据期望升力及姿态角调节电机转速，实现对飞行器的控制；
24.飞行器可根据控制器输出的虚拟控制量来计算期望力矩及升力，进而计算期望电机转速,变换关系如下：，其中~为旋翼支臂上六个马达的期望转速，为滚转力矩的期望力矩，为俯仰力矩的期望力矩，为偏航力矩的期望力矩，为期望升力，为旋翼轴距、为桨叶升力系数、为桨叶升力系数、为桨叶力矩系数。
25.本发明的有益效果是：
26.本发明采用仿生着陆腿的四足结构作为无人机的起落架，每个仿生着陆腿具有三个可活动关节，保证了仿生着陆腿的形状改变量，同时在足关节处还设置了一个三角形式缓冲关节组，保证了无人机起降落的稳定性和安全性，为大型无人机起降提供了保障。仿生着陆腿式起落架配合pid控制器可以更好的适配复杂地形的起降。四足的结构更加稳定，即使在一些坡度较大、凹凸度较大的地区也可以平稳着陆。
27.本发明采用电机调整腿部形状，在仿生着陆腿的髋关节和膝关节处设置了两个转动电机，仿生着陆腿具有多姿态变形功能，可以完成较高高度变化要求的自适应起降，拓展了无人机的功能范围。
28.本发明采用部件加强件的形式减轻结构重量，同时更有效的增加零部件的结构强度，同时在缓冲零部件的连接也通过加强件进行连接安装，增大了安装的灵活性。
29.本发明的优点在于通过髋膝可驱动的仿生着陆腿结构，提升六旋翼无人机在自然复杂地形环境下自适应起降的能力，拓展了无人机的环境适应性，同时缓冲关节组的使用使得大型无人机的起降强度要求得到满足。
附图说明
30.图1是本发明实施例的结构示意图；
31.图2是本发明实施例的仿生着陆腿结构示意图；
32.图3是本发明实施例的仿生着陆腿髋关节爆炸示意图；
33.图4是本发明实施例的仿生着陆腿膝关节爆炸示意图；
34.图5是本发明实施例的仿生着陆腿踝关节爆炸示意图；
35.图6是本发明实施例的旋翼安装爆炸示意图；
36.图7是本发明实施例在不平坦地形起降落的示意图；
37.图8是本发明实施例的飞行姿态pid控制算法示意图；
38.图9是本发明中仿生着陆腿的结构简图；
39.其中，100-旋翼、200-马达上盖、300-马达、400-旋翼支臂、500-控制盒、600-安装平台上盖、700-安装平台、800-仿生着陆腿；
40.801-髋连接加强件、802-髋连接件、803-髋关节电机、804-髋膝连接件、805-髋膝加强件一、806-髋膝加强件二、807-膝关节电机、808-膝踝连接件一、809-膝踝加强件一、810-膝踝连接件二、811-膝踝加强件二、812-缓冲器、813-缓冲器活塞、814-踝关节轴、815-踝足连接件一、816-踝足加强件、817-踝足连接件二、818-球铰上段、819-球铰下段、820-足垫。
具体实施方式
41.为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
42.如图1所示，包括旋翼100、马达上盖200、马达300、旋翼支臂400、控制盒500、安装平台上盖600、安装平台700、仿生着陆腿800。
43.安装平台700和安装平台上盖600都为轴对称零件，安装平台上盖600安装在安装平台700上端，用于固定对称安装在安装平台上端的六个旋翼支臂400，每个旋翼支臂上都固定连接一个马达300，在马达300的输出轴上固定连接旋翼100，所述旋翼100的中心通过马达上盖200固定连接在马达300的输出轴上，安装平台上盖600上端还设置了控制盒500，用于控制马达300的转速和仿生着陆腿800上电机的转动。
44.仿生着陆腿800包括髋连接加强件801、髋连接件802、髋关节电机803、髋膝连接件804、髋膝加强件一805、髋膝加强件二806、膝关节电机807、膝踝连接件一808、膝踝加强件
一809、膝踝连接件二810、膝踝加强件二811、缓冲器812、缓冲器活塞813、踝关节轴814、踝足连接件一815、踝足加强件816、踝足连接件二817、球铰上段818、球铰下段819、足垫820。其中由髋连接加强件801、髋连接件802组成的髋关节组固接在安装平台700下端，髋关节电机803安装在髋关节组上，髋关节和膝关节之间由髋膝连接件804、髋膝加强件一805、髋膝加强件二806组成的髋膝连接组连接，膝关节处安装膝关节电机807，膝关节电机807、膝踝连接件一808、膝踝加强件一809、膝踝连接件二810、膝踝加强件二811构成膝踝连接组，与髋膝关节组由转动副连接，并由膝关节电机807控制转动，缓冲器812的外筒、缓冲器活塞813构成的缓冲器由转动副安装在膝踝加强件二811和踝足加强件816，形成了一个三角形式缓冲组，踝足连接件一815、踝足加强件816、踝足连接件二817组成踝足连接组，并由踝关节轴814同轴心安装在髋膝连接组下端，球铰上段818、球铰下段819组成球铰连接件用于连接安装足垫820和踝足连接件。
45.上述的各关节连接组均由连接件和加强件构成，一方面减轻了仿生着陆腿的总体重量，同时保障了无人机在自适应起降落过程中的强度要求，各个连接组之间由转动副连接，提高腿部的变形灵活度，达到灵活稳定的双保障。
46.上述的三角形式缓冲组，在起到缓冲作用的同时，在结构上能够起到支撑腿部结构稳定的作用，为无人机在较高速的起降落提供了条件。
47.仿生着陆腿的仿生特征体现在髋关节、膝关节、踝关节的设置，各个关节由各个关节组连接，并由相应的电机驱动运动。
48.并且，足垫820采用平底形结构，增大了无人机起降落时的接触面积，增大了起降落的稳定性，并且足垫820以球铰连接的形式，在倾斜着陆情况下也可以平稳起降落。
49.控制盒采用pid控制方法，控制马达、电机。通过pid控制，控制腿部电机的角度，旋翼下端马达的转速。pid控制算法控制方法如下：给定x、y、z三个轴方向的期望值以及期望偏航角ψ，然后由外环位置控制反解出另外两个姿态角θ、
ϕ
作为内环姿态控制的期望值，再分别由外环位置控制系统和内环姿态系统设计控制算法来实现飞行器控制。
50.控制盒采用pid控制方法，控制马达、电机。通过pid控制，控制腿部电机的角度，旋翼下端马达的转速。为了便于飞行器位置调整，设计基于pid控制方法的位置回路控制器。该控制器的输入为期望位置与反馈位置的差值；通过输出三个虚拟控制量实现对飞行器位置的控制。
51.，其中为方向制量，为方向控制量，为方向控制量；为比例环节系数，为积分环节系数，为微分环节系数。为位置反馈误差，具体表示如下：，之后通过控制器输出的三个虚拟控制量以及期望偏航角求得期望升力及姿态角：
，其中，为期望升力，为期望姿态角，为飞行器质量，为重力加速度。进而根据期望升力及姿态角调节电机转速，实现对飞行器的控制。
52.飞行器可根据控制器输出的虚拟控制量来计算期望力矩及升力，进而计算期望电机转速,变换关系如下：，其中~为旋翼支臂上六个马达的期望转速，为滚转力矩的期望力矩，为俯仰力矩的期望力矩，为偏航力矩的期望力矩，为期望升力，为旋翼轴距、为桨叶升力系数、为桨叶力矩系数。控制器框图如附图8所示。
53.通过上述方式控制无人机达到相应水平姿态后，针对无人机起降过程的具体地面起伏情况，预先输入地面信息，可计算出对应关节转角以调整各仿生腿着陆所需高度，并由控制盒500根据上述关节转角对髋关节电机803和膝关节电机807发出控制信号，分别带动髋关节组和膝关节组转动至预定角度，完成仿生着陆腿800起降前的姿态调整。
54.关节角度与足端的映射关系如下：建立单腿坐标系，并定义是髋关节与膝关节的长度，是膝关节与踝关节的长度，是踝关节与足关节的长度，为髋关节角度，为膝关节角度，为踝关节角度，如附图9所示。
55.运动学正解是在单腿坐标系中是根据腿部各关节角度求解足端点的位姿；
56.，逆运动学是正运动学分析的逆过程，可根据足端点的位姿来反解腿部各个关节角度；
57.；
58.本发明实施例的工作状态包括四足等高式起降落状态、四足差高式起降落状态，如图1、图7两种情况，四足等高式起降落状态用于保障起降落过程中旋翼、旋翼支臂等零部
件不会在飞行过程中发生磕碰状况，四足差高式起降落状态用于在复杂地形如凹凸地面状态、斜坡地形状态下的起降落。
59.本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种髋膝可驱动仿生着陆腿式六旋翼无人机，其特征在于，所述无人机具有安装平台（700），在安装平台（700）上连接有四个仿生着陆腿（800），所述仿生着陆腿（800）包括髋关节组、髋膝连接组、膝踝连接组、踝足连接组、足垫（820）以及髋关节电机（803）、膝关节电机（807）、缓冲器（812）；所述髋关节组包括固定连接在安装平台（700）上的髋连接件（802），所述髋膝连接组包括与髋连接件（802）铰接的髋膝连接件（804），所述髋关节电机（803）的壳体固定连接在髋连接件（802）上，并且髋关节电机（803）的输出轴固定连接髋膝连接件（804）；所述膝关节电机（807）的壳体固定连接所述髋膝连接件（804），所述膝踝连接组包括平行设置且固定相连的膝踝连接件一（808）、膝踝连接件二（810），所述膝踝连接件一（808）以及膝踝连接件二（810）的顶端同时铰接髋膝连接件（804），并且同时与膝关节电机（807）的输出轴固定相连；所述踝足连接组包括平行设置且固定相连的踝足连接件一（815）、踝足连接件二（817），所述踝足连接件一（815）及踝足连接件二（817）的顶端同时铰接膝踝连接组，所述缓冲器（812）的两端则分别铰接在膝踝连接组的中部以及踝足连接组的中部；所述踝足连接件一（815）及踝足连接件二（817）的底端同时通过球铰连接足垫（820）。2.根据权利要求1所述的一种髋膝可驱动仿生着陆腿式六旋翼无人机，其特征在于，所述仿生着陆腿（800）具有髋关节、膝关节、踝关节三个关节，在髋关节组、髋膝连接组之间的连接位置形成髋关节，在髋膝连接组、膝踝连接组之间的连接位置形成膝关节，在膝踝连接组、踝足连接组之间形成踝关节。3.根据权利要求1所述的一种髋膝可驱动仿生着陆腿式六旋翼无人机，其特征在于，所述髋关节组还包括髋连接加强件（801），所述髋连接件（802）呈l字形，所述髋连接加强件（801）呈楔形，且固定连接在髋连接件（802）l字形的内侧顶角处。4.根据权利要求1所述的一种髋膝可驱动仿生着陆腿式六旋翼无人机，其特征在于，所述髋膝连接组还包括髋膝加强件一（805）、髋膝加强件二（806），所述髋膝连接件（804）的两端分别铰接髋关节组以及膝踝连接组，所述髋膝加强件一（805）以及髋膝加强件二（806）则分别平行的固定连接在髋膝连接件（804）的两侧，并且髋膝加强件一（805）、髋膝加强件二（806）的两端也分别铰接髋关节组以及膝踝连接组。5.根据权利要求1所述的一种髋膝可驱动仿生着陆腿式六旋翼无人机，其特征在于，所述膝踝连接组还包括膝踝加强件一（809）、膝踝加强件二（811），所述膝踝加强件一（809）呈圆盘状、且固定连接在所述膝踝连接件一（808）的顶端和膝踝连接件二（810）的顶端之间，并且膝踝加强件一（809）套装在膝关节电机（807）的输出轴上；所述膝踝加强件二（811）呈长条形块状，且固定连接在所述膝踝连接件一（808）的中部和膝踝连接件二（810）的中部之间；所述踝足连接组还包括踝足加强件（816），所述踝足加强件（816）也呈长条形块状，且固定连接在所述踝足连接件一（815）的中部和踝足连接件二（817）的中部之间。6.根据权利要求5所述的一种髋膝可驱动仿生着陆腿式六旋翼无人机，其特征在于，所述缓冲器（812）的缸体铰接所述膝踝加强件二（811），所述缓冲器（812）的缓冲器活塞（813）则铰接所述踝足加强件（816）。7.根据权利要求5所述的一种髋膝可驱动仿生着陆腿式六旋翼无人机，其特征在于，所
述球铰包括转动连接的球铰上段（818）和球铰下段（819），所述球铰上段（818）固定连接在踝足加强件（816）的底部，所述球铰下段（819）则固定连接在足垫（820）上。8.一种权利要求1所述的髋膝可驱动仿生着陆腿式六旋翼无人机的控制方法，其特征在于，为了便于飞行器位置调整，设计基于pid控制方法的位置回路控制器；该控制器的输入为期望位置与反馈位置的差值；通过输出三个虚拟控制量、、实现对飞行器位置的控制；，其中为方向制量，为方向控制量，为方向控制量；为比例环节系数，为积分环节系数，为微分环节系数；、为位置反馈误差，具体表示如下：，之后通过控制器输出的三个虚拟控制量以及期望偏航角求得期望升力及姿态角：，其中，为期望升力，、为期望姿态角，为飞行器质量，为重力加速度；进而根据期望升力及姿态角调节电机转速，实现对飞行器的控制；飞行器可根据控制器输出的虚拟控制量来计算期望力矩及升力，进而计算期望电机转速,变换关系如下：，其中 ~为旋翼支臂上六个马达的期望转速，为滚转力矩的期望力矩，为俯仰力矩的期望力矩，为偏航力矩的期望力矩，为期望升力，为旋翼轴距、为桨叶升力系数、为桨叶力矩系数。

技术总结
本发明公开了一种髋膝可驱动仿生着陆腿式六旋翼无人机及其控制方法，涉及六旋翼无人机领域，能够在较为复杂的地形下进行稳定的自适应起降。所述无人机具有安装平台，在安装平台上连接有四个仿生着陆腿，所述仿生着陆腿包括髋关节组、髋膝连接组、膝踝连接组、踝足连接组、足垫以及髋关节电机、膝关节电机、缓冲器。本发明的优点在于通过髋膝可驱动的仿生着陆腿结构，提升六旋翼无人机在自然复杂地形环境下自适应起降的能力，拓展了无人机的环境适应性，同时缓冲关节组的使用使得大型无人机的起降强度要求得到满足。降强度要求得到满足。降强度要求得到满足。


技术研发人员：魏小辉 尹乔之 孙文宇 倪鑫磊 宋佳翼 梁伟华 周乐
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/5/26