CN110614891A - 一种飞行机器人跨维度运动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种飞行机器人跨维度运动的方法，能实现飞行机器人在地面、空中、墙面不同维度环境下运动；所述飞行机器人的机身上装有车轮和矢量旋翼；车轮通过一根轴与机体相连，车轮绕轴转动；飞行机器人的机身上还装有矢量旋翼机臂、旋翼齿轮、传动齿轮及舵机；矢量旋翼机臂与旋翼齿轮连接为一个整体，传动齿轮与旋翼齿轮紧密配合，传动齿轮套在舵机的输出轴上；该方法具体包括：飞行机器人的空中飞行控制方法，飞行机器人的墙面爬行控制方法，飞行机器人的地面行驶控制方法，飞行机器人从空中飞上墙面的方法，飞行机器人从墙面起飞的方法，飞行机器人从地面爬上墙面的方法及飞行机器人从墙面返回地面的方法。

Description

一种飞行机器人跨维度运动的方法

技术领域

本发明为一种飞行机器人跨维度运动的方法，属于“飞行机器人”领域。

背景技术

目前世界上的各种飞行机器人的工作范围基本局限于空中，它们无法在地面运动，而且在飞行过程中一旦接触到其它建筑物，就很可能失控甚至坠落。本发明提出了跨维度运动的概念，本发明认为地面、空中、墙面是空间中不同维度下的工作环境。本发明提出了一种飞行机器人跨维度运动的方法，实现了飞行机器人在地面、空中、墙面运动模式的灵活切换。

发明内容

发明目的：

本发明的目的是创造一种飞行机器人跨维度运动的方法，实现飞行机器人在地面、空中、墙面等不同维度环境下运动。

技术方案：

本发明是一种飞行机器人跨维度运动的方法，该方法的实现在机械结构上依赖于可变矢量旋翼和车轮。可变矢量旋翼如附图1、附图2所示，在下文叙述中统一称为矢量旋翼。矢量旋翼整体可以在附图2所示舵机14带动下，绕轴线1转动。如附图3所示，本发明所述飞行机器人的机身上装有右前车轮19、左前车轮20、左后车轮21、右后车轮22，这四个车轮。本发明所述飞行机器人的车轮是无动力的，即车轮并不连接电机，飞行机器人运动的所有动力都来自矢量旋翼产生的矢量推力。车轮的直径大于螺旋桨的直径，可以保护螺旋桨，防止螺旋桨刮蹭到地面或墙面。本发明所述的飞行机器人实施例整体如附图4所示，实施例由两个矢量旋翼、四个车轮和一个机身组成，其中位于右前车轮19、左前车轮20之间的矢量旋翼为前矢量旋翼0-1，位于左后车轮21、右后车轮22之间的矢量旋翼为后矢量旋翼0-2。

本发明所述的飞行机器人的车轮的作用是提供机器人在地面或墙面运动时的支持力，同时减小机器人在地面或墙面运动时的摩擦阻力，并防止螺旋桨刮蹭到地面或墙面，所以实施例不必一定使用附图中的圆形车轮，也可以用牛眼万向轮，甚至可以将车轮改为支架，但不论怎么改变车轮构型，都不会改变本发明的保护范围。

本发明所述的飞行机器人跨维度运动控制算法的设计目标是使机器人能够完成地面运动、墙面运动、空中运动并能够在这三种运动模式之间自动转换。下面阐述控制方案。(下文叙述中，本发明所述的飞行机器人被称为飞行机器人或机器人)

首先需要解算机器人的姿态，机器人的姿态用欧拉角表示。基于欧拉角的姿态解算是行业内的一贯方法，此处不予详述。

(1)飞行机器人的空中飞行控制方案：

飞行机器人的空中飞行状态下，矢量旋翼螺旋桨平面始终保持与机体平面平行。在该状态下，其自动控制算法分为高度控制和姿态控制。对于高度控制，如附图19所示，通过设定目标高度，采用基于串级PID调节的闭环反馈控制算法(下文简称串级PID算法)，可以实现机器人的高度控制。对于姿态控制，如附图20所示，通过设定目标姿态角(即俯仰角、滚转角和偏航角)，采用串级PID算法，可以实现机器人的空中姿态控制。

(2)飞行机器人的墙面爬行控制方案：

飞行机器人的墙面爬行过程如附图6、附图14所示，飞行机器人在墙面爬行的自动控制算法分为高度控制和姿态控制。对于高度控制，矢量推力可分解为竖直方向的分力和水平方向的分力。其中，竖直方向的分力的大小通过附图19所示的串级PID算法实时解算，竖直方向的分力的作用是控制机器人在墙面爬行的高度，水平方向的分力的作用是提供固定的压力，从而使机体在压力作用下，贴附于墙面。由这两个分力可以计算出矢量推力的方向和大小，进而控制矢量旋翼的旋转角度和输出推力的大小。由于本发明所述的飞行机器人墙面附着方法是机体的背部贴附于墙面，所以机体贴附在墙面后，头部向下，尾部向上。

与空中飞行不同，墙面爬行是一种二维运动，所以机器人的姿态仅用一个旋转角就可以表示，通过设定目标姿态(即旋转角)，前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2在附图20所示的串级PID算法的控制下自动调节左右两组电机的差速，实现机器人在墙面的姿态控制，即左右电机转速相同时机器人保持竖直姿态，左侧电机推力大于右侧电机推力时机器人姿态向右倾斜从而在墙面向右运动，左侧电机推力小于右侧电机推力时机器人姿态向左倾斜从而在墙面向左运动。

(3)飞行机器人的地面行驶控制方案：

与空中飞行和墙面爬行不同，飞行机器人在地面行驶时不需要控制高度，而是需要控制前进和后退。因此，只需要控制矢量旋翼的倾转角度就能产生前进或后退的推力。如附图10、附图18所示，机器人在地面行驶状态下，前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2产生的矢量推力可以分解为垂直于地平面方向(下文简为称垂直方向或竖直方向)以及平行于地平面方向(下文简称水平方向)，本发明所述的地平面与重力方向垂直。矢量推力在水平方向的分力提供机器人前进或后退的动力，在垂直方向的分力方向可以根据实际情况设置为垂直向上或垂直向下，在本发明所述实施例中设为垂直向下，这样机器人可以更好地贴附于地面。

(4)飞行机器人从空中飞上墙面的方案：

本发明所述的飞行机器人从空中飞上墙面的方案可以实现机器人从空中飞行的状态转换为垂直贴附于墙面的墙面爬行状态。该方案包括三个阶段，在下文叙述中称为阶段一、阶段二、阶段三。

阶段一：如附图4所示，机器人在飞行状态下用右前车轮19、左前车轮20触碰到墙面。为了方便表述，下文称机体平面与地平面的夹角为俯仰角。

阶段二：如附图5所示，机器人检测到前轮触碰墙面后自动切换为墙面附着状态。在该状态下，前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2提供矢量推力，使机器人在空中悬停的同时前轮抵住墙面，机身绕右前车轮19、左前车轮20轴线向前倾转，从而使机体整体贴附在墙面上。

阶段三：如附图6所示，机器人检测到机体贴附于墙面后，自动切换为墙面爬行状态。在该状态下，机器人的前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2提供矢量推力，使机器人停留在墙面上，并且可以在墙面上爬行。由于本发明所述的飞行机器人墙面附着方法是机器人的背部贴附于墙面，所以机器人附着在墙面后，头部向下，尾部向上。

(5)飞行机器人从墙面起飞的方案：

本发明所述的飞行机器人从墙面起飞的方案可以实现机器人从墙面爬行状态转换为空中飞行状态。转换过程分为三个阶段，在下文叙述中称为阶段四、阶段五、阶段六。

阶段四：飞行机器人在墙面爬行状态下由矢量旋翼提供的矢量推力稳定在墙面上，由上文所述可知，此时机器人右前车轮19、左前车轮20在下，左后车轮21、右后车轮22在上。如附图7所示，前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2在舵机14带动下改变矢量推力方向，矢量推力在竖直方向的分力可以抵消机器人重力，使重心依然保持在原来位置，矢量推力在水平方向的分力可以提供机器人的倾转力矩。这一阶段，倾转力矩的作用是提供一个短暂的加速度，让机体在短时间内拥有一个初始倾转角速度。

阶段五：如附图8所示，飞行机器人矢量旋翼调整矢量推力，使机体在阶段四所述的倾转角速度作用下由竖直状态平稳翻转至水平状态。

阶段六：如附图9所示，飞行机器人检测到机体回到平飞姿态后，自动切换为空中飞行状态。

(6)飞行机器人从地面爬上墙面的方案：

本发明所述的飞行机器人从地面爬上墙面的方案可以实现机器人从地面行驶的状态自动转换为垂直贴附于墙面的墙面爬行状态。该转换过程包括三个阶段，在下文叙述中称为阶段七、阶段八、阶段九。

阶段七：如附图10所示，机器人为地面行驶状态。在该状态下机器人矢量旋翼产生的矢量推力推动机器人行驶至墙边。如附图11所示，机器人用右前车轮19、左前车轮20触碰到墙面。

阶段八：机器人检测到前轮触碰墙面后自动切换为地面至墙面的过度状态，如附图12所示。在该状态下，前矢量旋翼0-1和后矢量旋翼0-2提供矢量推力，使机器人的右前车轮19、左前车轮20抵住墙面，机身绕右前车轮19、左前车轮20轴线向前倾转，从而使机器人整体贴附在墙面上，如附图13所示。

阶段九：如附图14所示，机器人检测到机体贴附于墙面后，自动切换为墙面爬行状态。由于本发明所述的飞行机器人从地面过度到墙面的方法是机器人的背部贴附于墙面，所以机器人贴附在墙面后，头部向下，尾部向上。

(7)飞行机器人从墙面返回地面的方案：

本发明所述的飞行机器人从墙面返回地面的方案可以实现机器人从墙面爬行状态转换为地面行驶状态。该转换过程分为三个阶段，在下文叙述中称为阶段十、阶段十一、阶段十二。

阶段十：机器人在墙面爬行状态下由矢量旋翼提供的矢量推力稳定在墙面上，由上文所述可知，此时右前车轮19、左前车轮20在下，左后车轮21、右后车轮22在上。如附图15所示，机器人先爬至墙角(即右前车轮19、左前车轮20触碰到地面)，前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2在舵机14带动下改变矢量推力方向，矢量推力在水平方向的分力可以提供机器人的倾转力矩。这一阶段，倾转力矩的作用是提供一个约20度/s^2的角加速度，让机体在短时间内拥有一个初始倾转角速度。

阶段十一：如附图16所示，机器人矢量旋翼调整矢量推力，使机体由前倾姿态平稳翻转至水平姿态。

阶段十二：如附图17所示，机器人检测到机体回到地面后，自动切换为地面行驶状态，并在前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2提供的矢量推力的作用下驶离墙面，如附图18所示。

本发明优点及有益效果在于：

本发明提出了一种飞行机器人跨维度运动的方法，实现了机器人在地面、空中、墙面运动模式的灵活切换。这种技术可以应用于复杂环境探测，基础设施检修，侦察监控，样本采集，抢险救灾等多个领域。

附图说明

图1：本发明所述机器人变矢量旋翼的结构透视图。

图2：本发明所述机器人变矢量旋翼的整体装配示意图。

图3：本发明所述机器人车轮与机身装配的示意图。

图4：本发明所述飞行机器人墙面附着过程阶段一图。

图5：本发明所述飞行机器人墙面附着过程阶段二图。

图6：本发明所述飞行机器人墙面附着过程阶段三图。

图7：本发明所述飞行机器人墙面起飞过程阶段四图。

图8：本发明所述飞行机器人墙面起飞过程阶段五图。

图9：本发明所述飞行机器人墙面起飞过程阶段六图。

图10：本发明所述飞行机器人在地面行驶的示意图。

图11：本发明所述飞行机器人行驶至墙边的示意图。

图12：本发明所述飞行机器人由地面过渡至墙面的示意图。

图13：本发明所述飞行机器人贴附于墙面的示意图。

图14：本发明所述飞行机器人在墙面爬行的示意图。

图15：本发明所述飞行机器人从墙面返回地面初始阶段的示意图。

图16：本发明所述飞行机器人从墙面返回地面过程的示意图。

图17：本发明所述飞行机器人机身落回到地面的示意图。

图18：本发明所述飞行机器人在地面驶离墙面的示意图。

图19：本发明所述飞行机器人位置控制的串级PID算法框图。

图20：本发明所述飞行机器人姿态控制的串级PID算法框图。

图中序号，符号，代号所代表的意义如下：

1：轴线 2：矢量旋翼机臂 3：电机

4：电机 5：电机 6：电机

7：螺旋桨 8：螺旋桨 9：螺旋桨

10：螺旋桨 11：旋翼齿轮 12：传动齿轮

13：舵机轴线 14：舵机 15：电机底座

16：电机底座 17：墙面 18：地面

19：右前车轮 20：左前车轮 21：左后车轮

22：右后车轮 23：机身 0-1：前矢量旋翼

0-2：后矢量旋翼

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。

1.矢量旋翼实施例说明：

矢量旋翼实施例如附图1所示，该矢量旋翼实施例采用共轴双桨构型，矢量旋翼机臂2上装有电机3、电机4、电机5、电机6、螺旋桨7、螺旋桨8、螺旋桨9、螺旋桨10。如附图2所示，矢量旋翼机臂2与旋翼齿轮11连接为一个整体，传动齿轮12与旋翼齿轮11紧密配合，将舵机14的转动力矩传动给旋翼。传动齿轮12可以套在舵机14的输出轴上，绕轴线13转动。因此，矢量旋翼整体可以在附图2所示舵机14带动下，绕轴线1转动。

在附图4-18中，由虚线框选的部分0-1、0-2均表示附图1与附图2所示的矢量旋翼，其中0-1表示前矢量旋翼，0-2表示后矢量旋翼。

2.飞行机器人车轮安装说明：

如附图3所示，本发明所述飞行机器人机身23上装有右前车轮19、左前车轮20、左后车轮21、右后车轮22。每个车轮都直接通过一根轴与机体相连，车轮可以绕轴转动。

本发明所描述的车轮仅表示一种实施例，在实际项目实施中，技术人员可以调整车轮的形状、材质、位置和数量，这都不会改变本发明所述方法以及权利要求书中定义的权利范围。

3.飞行机器人整体实施例说明：

飞行机器人实施例各部分组件可以根据飞行机器人的实际指标灵活调整。以重量为2kg的样机为例，可以采用重量为9g的小型舵机，8支6045螺旋桨(其中4支正桨4支反桨)，8台R2205电机，一块电压14.8V容量5200mah的锂电池，机身、车轮和机臂都可以采用碳纤维材料和3D打印材料加工定制。在该配置下，机器人可以在墙面工作15分钟左右。

4.飞行机器人从空中飞上墙面的过程：

阶段一：如附图4所示，本发明所述飞行机器人实施例包括前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2、右前车轮19、左前车轮20、左后车轮21、右后车轮22，机器人在飞行状态下用右前车轮19、左前车轮20触碰到墙面17。

阶段二：如附图5所示，飞行机器人检测到右前车轮19、左前车轮20触碰墙面后自动切换为墙面附着状态。在该状态下，前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2提供矢量推力，使机器人在空中悬停的同时，右前车轮19、左前车轮20抵住墙面，机身绕右前车轮19、左前车轮20轴线向前倾转，从而使机器人整体贴附在墙面上。为了保证机器人从空中翻转至墙面的过程中一直悬停在原位置，前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2螺旋桨平面需要始终保持与地平面18平行。此阶段依靠附图19，附图20所示的串级PID算法，机器人能够自动调节矢量推力大小自动实现墙面贴附。

阶段三：如附图6所示，机器人检测到机体贴附于墙面后，自动切换为墙面爬行状态。在该状态下，前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2提供矢量推力，使机器人停留在墙面上，并且可以在墙面上爬行。在该阶段，采用附图19、附图20所示的串级PID算法控制矢量旋翼的电机推力输出，实现其自动调节。

5.飞行机器人从墙面起飞的过程：

阶段四：飞行机器人在墙面爬行状态下由矢量旋翼提供的矢量推力稳定在墙面上，由上文所述可知，此时机器人右前车轮19、左前车轮20在下，左后车轮21、右后车轮22在上。如附图7所示，前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2分别在两个舵机14带动下改变矢量推力方向。这一阶段，前矢量旋翼0-1与后矢量旋翼0-2输出的推力在竖直方向的分力是相同的，矢量推力在竖直方向的分力可以抵消机器人重力，使重心依然保持在原来位置。前矢量旋翼0-1与后矢量旋翼0-2输出的推力在水平方向的分力大小相同，方向相反，其中前矢量旋翼0-1产生的矢量推力在水平方向的分力指向墙面，后矢量旋翼0-2产生的矢量推力在水平方向的分力指向墙外，这两个矢量推力在水平方向的分力可以提供机器人的倾转力矩，该倾转力矩的作用是提供一个短暂的加速度，让机体在短时间内拥有一个初始倾转角速度，从而机体可以由竖直转向水平。为了使机体的倾转角速度达到一个合适的值，可以设定一个倾角阈值，由于机体是前倾姿态所以俯仰角是负值，该阈值也是负值。飞行机器人的俯仰角在达到阈值之前执行阶段四，在俯仰角达到阈值后，飞行机器人恰好达到了一个合适的初始倾转角速度，此时自动控制程序自动切换到阶段五。

阶段五：如附图8所示，机器人矢量旋翼调整矢量推力，使机体由竖直状态平稳翻转至水平状态。在该阶段中，矢量旋翼螺旋桨平面始终保持与地平面18平行，飞行机器人采用附图19、附图20所示的串级PID算法自动调节前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2的电机输出推力大小，从而使机体可以最终稳定在平飞状态。

阶段六：如附图9所示，飞行机器人检测到机体回到水平姿态后，自动切换为空中飞行状态。

6.飞行机器人从地面爬上墙面的过程：

阶段七：如附图10所示，机器人处于地面行驶状态。在该状态下，首先控制机器人抵近墙面，直到右前车轮19、左前车轮20触碰到墙面17，如附图11所示。

阶段八：如附图12所示，机器人在检测到右前车轮19、左前车轮20触碰墙面后自动切换为墙面附着状态。在该状态下，前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2提供矢量推力，右前车轮19、左前车轮20抵住墙面，机身绕右前车轮19、左前车轮20轴线向前倾转，从而使机器人背部贴附在墙面上。此阶段，矢量旋翼产生的推力可以分解为平行于机体方向和垂直于机体方向，其中平行于机体方向的推力可以使机体前轮抵住墙面，垂直于机体方向的推力是为了抵消机器人的重力矩。可以通过附图20所示的串级PID算法，使机器人自动调节矢量推力大小，从而自动实现墙面贴附，如附图13所示。

阶段九：如附图14所示，机器人检测到机体贴附于墙面后，自动切换为墙面爬行状态。在该阶段，采用附图19、附图20所示的串级PID算法控制矢量旋翼的电机推力输出，实现其自动调节。

7.飞行机器人从墙面返回地面的过程：

阶段十：飞行机器人在墙面爬行状态下由矢量旋翼提供的矢量推力稳定在墙面上，由上文所述可知，此时机器人右前车轮19和左前车轮20在下、左后车轮21和右后车轮22在上。机器人首先返回至墙角，接下来如附图15所示，前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2在舵机14带动下改变矢量推力方向。前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2输出的推力在水平方向的分力大小相同，方向相反，其中前矢量旋翼0-1产生的矢量推力在水平方向的分力指向墙面，后矢量旋翼0-2产生的矢量推力在水平方向的分力指向墙外，这两个矢量推力在水平方向的分力可以提供机器人的倾转力矩，该倾转力矩的作用是提供一个加速度，让机体在短时间内拥有一个初始倾转角速度，从而机体可以由竖直转向水平。为了使机体的倾转角速度达到一个合适的值，可以设定一个倾角阈值，由于机体是前倾姿态所以俯仰角是负值，该阈值也是负值。飞行机器人的俯仰角在达到阈值之前执行阶段十，在俯仰角达到阈值后，飞行机器人恰好达到了一个合适的初始倾转角速度，此时自动控制程序自动切换到阶段十一。

阶段十一：如附图16所示，飞行机器人矢量旋翼调整矢量推力，使机体由前倾状态平稳翻转至水平状态。在该阶段，矢量旋翼产生的推力可以分解为平行于机体方向和垂直于机体方向，其中平行于机体方向的推力可以使机体前轮抵住墙面，垂直于机体方向的推力是为了抵消飞行机器人的重力矩。在实施例中，飞行机器人采用附图20所示的串级PID算法自动调节前矢量旋翼0-1、后矢量旋翼0-2的电机输出推力大小，从而使机体可以最终平稳翻转至地面。

阶段十二：如附图17所示，飞行机器人检测到机体回到水平姿态后，自动切换为地面行驶状态。如附图18所示，在该状态下，矢量旋翼在水平方向的分力推动飞行机器人驶离墙面，在垂直方向的分力方向可以根据实际情况设置为垂直向上或垂直向下，在本发明所述实施例中设为垂直向下。

8.关于本发明所述的串级PID算法的详细说明：

如附图19、附图20所示，为本发明所述的串级PID算法框图。框图中每一个标有PID的方框为PID控制器，其时域公式为：

其中，K_P、K_I、K_D为需要设定的参数，K_P为比例系数、K_I为积分系数、K_D为为微分系数。e(t)、e(τ)为PID控制器的输入量，即目标值与测量值的差值。F(t)为PID控制器的输出值。如附图19、附图20所示，对于串级PID而言，上一级PID控制器的输出值就是下一级PID控制器的目标值。

最后一级PID控制器的输出值就是电机的控制量，电机控制量可以换算为脉宽调制信号(PWM)的占空比的值。电机的驱动电路就是由脉宽调制信号控制的，最终的结果就是更大的电机控制量对应与更大的占空比，更大的占空比对应于更大的电机转速。

飞行机器人上装有多个电机，以本发明的实施例为例，为八个电机，并且每两个相邻电机转向相反，因此需要通过多个串级PID算法同时运行，才能解算出所有电机的控制量。同时运行的串级PID算法有四个，一个负责位置控制，三个负责姿态控制。附图19所示的飞行机器人位置控制的串级PID算法用于控制高度，其解算出的是所有电机控制量的平均值。三个用于姿态控制的飞行机器人串级PID算法框图都如附图20所示，三个姿态量包括飞行机器人的俯仰、滚转和偏航，用于俯仰控制的串级PID算法解算出的是前矢量旋翼四个电机与后矢量旋翼四个电机的控制量的差值，用于滚转控制的串级PID算法解算出的是机身左侧的四个电机与机身右侧的四个电机的控制量的差值，用于偏航控制的串级PID算法解算出的是顺时针旋转的四个电机与逆时针旋转的四个电机的控制量的差值。依靠这四个同时运行的串级PID算法，就可以实现对所有电机转速的实时自动控制。

9.飞行机器人操控过程：

飞行机器人的操控很简单，可以用遥控器、手机app等，下面统称为遥控设备。

首先阐述飞行机器人在地面爬行的控制方法。控制者利用遥控设备可以设定机器人的目标加速度。该加速度信号会实时发送给机器人，从而控制旋翼方向和螺旋桨转速，进而控制飞行机器人的前进和后退。

接下来阐述飞行机器人在墙面爬行的控制方法。利用遥控设备可以设定飞行机器人的目标高度，随后机器人通过附图19所示的串级PID算法自动控制旋翼推力，使机体稳定在目标高度上，就能实现飞行机器人在墙面的垂直攀爬。遥控设备还可以设定机器人的目标姿态，随后机器人通过附图20所示的串级PID算法自动控制旋翼推力，使机体稳定在目标姿态上，机体向左倾机器人会向左移动，机体向右倾机器人会向右移动。

下面阐述飞行机器人在空中飞行的控制方法。利用遥控设备可以设定飞行机器人目标高度和目标姿态。随后机器人通过附图19、附图20所示的串级PID算法自动控制电机推力输出，使机体稳定在目标高度和目标姿态上。

最后阐述模式切换的控制方法。模式切换只需要遥控设备输出一个模式切换信号，飞行机器人就会自动改变运动模态。在空中飞行模式下，操控者用遥控设备输出上墙信号，接下来需要操控者遥控机器人抵近墙面，在右前车轮19和左前车轮20触碰到墙面的瞬间，机器人会自动检测到触碰，从而自动执行阶段一至阶段三所述的控制算法，最终机器人会自动完成空中至墙面的过渡。当机器人处于墙面爬行状态时，控制者用遥控设备输出墙面起飞信号，机器人将自动执行阶段四至阶段六所述的控制算法，最终机器人会自动从墙面起飞回到空中飞行模式。在地面行驶模式下，操控者用遥控设备输出上墙信号，接下来需要操控者遥控机器人抵近墙面，在右前车轮19和左前车轮20触碰到墙面的瞬间，机器人会检测到触碰，从而自动执行阶段七至阶段九所述的控制算法，最终机器人会自动完成地面至墙面的过渡。当机器人处于墙面爬行状态时，控制者先遥控机器人爬行至墙角，随后用遥控设备执行输出返回地面的信号，机器人将自动执行阶段十至阶段十二所述的控制算法，最终机器人会自动从墙面回到地面，即从墙面爬行状态回到地面行驶状态。

本发明是一种方法，因此本发明的说明书、附图以及权利要求书所述的所有关于结构、算法、操控方式等具体描述只是一种完成本发明方法的实施例，在实际项目中可以对结构、算法、操控方式等具体设计有所改动，但是不会改变本发明定义的权利范围。

Claims (10)

1.一种飞行机器人跨维度运动的方法，能实现飞行机器人在地面、空中、墙面不同维度环境下运动；其特征在于：

所述飞行机器人的机身上装有右前车轮、左前车轮、左后车轮、右后车轮，还包括两个矢量旋翼；其中，位于右前车轮、左前车轮之间的矢量旋翼为前矢量旋翼，位于左后车轮、右后车轮之间的矢量旋翼为后矢量旋翼；右前车轮、左前车轮、左后车轮、右后车轮都直接通过一根轴与机体相连，车轮绕轴转动；

同时，飞行机器人的机身上还装有矢量旋翼机臂、旋翼齿轮、传动齿轮及舵机；矢量旋翼机臂与旋翼齿轮连接为一个整体，传动齿轮与旋翼齿轮紧密配合，将舵机的转动力矩传动给两个矢量旋翼；传动齿轮套在舵机的输出轴上；因此，两个矢量旋翼可以在舵机带动下，绕轴线转动；

该飞行机器人跨维度运动的方法具体包括：

(1)飞行机器人的空中飞行控制方法：

飞行机器人的空中飞行控制方法分为高度控制和姿态控制；对于高度控制，通过设定目标高度，采用基于串级PID调节的闭环反馈控制算法，即串级PID算法，实现飞行机器人的高度控制；对于姿态控制，通过设定目标姿态角，采用串级PID算法，实现飞行机器人的空中姿态控制；

(2)飞行机器人的墙面爬行控制方法：

飞行机器人的墙面爬行控制方案分为高度控制和姿态控制；对于高度控制，矢量推力可分解为竖直方向的分力和水平方向的分力；其中，竖直方向的分力的大小通过串级PID算法实时解算，竖直方向的分力的作用是控制机器人在墙面爬行的高度，水平方向的分力的作用是提供固定的压力，从而使机体在压力作用下，贴附于墙面；由这两个分力可以计算出矢量推力的方向和大小，进而控制矢量旋翼的旋转角度和输出推力的大小；由于本发明所述的飞行机器人墙面附着方法是机体的背部贴附于墙面，所以机体贴附在墙面后，头部向下，尾部向上；墙面爬行是一种二维运动，所以机器人的姿态仅用一个旋转角就可以表示，通过设定目标姿态(即旋转角)，前矢量旋翼、后矢量旋翼在串级PID算法的控制下自动调节左右两组电机的差速，实现机器人在墙面的姿态控制，即左右电机转速相同时机器人保持竖直姿态，左侧电机推力大于右侧电机推力时机器人姿态向右倾斜从而在墙面向右运动，左侧电机推力小于右侧电机推力时机器人姿态向左倾斜从而在墙面向左运动；

(3)飞行机器人的地面行驶方法：

与空中飞行和墙面爬行不同，飞行机器人在地面行驶时不需要控制高度，而是通过控制矢量旋翼旋转角度和矢量旋翼的推力输出控制机器人的前进和后退；

(4)飞行机器人从空中飞上墙面的方法：

飞行机器人从空中飞上墙面的方法可以实现飞行机器人从空中飞行的状态转换为垂直贴附于墙面的墙面爬行状态；该方法包括三个阶段，称为阶段一、阶段二、阶段三；

阶段一：飞行机器人在飞行状态下用右前车轮、左前车轮触碰到墙面；机体平面与地平面的夹角为俯仰角；

阶段二：飞行机器人检测到右前车轮、左前车轮触碰墙面后自动切换为墙面附着状态；在该状态下，前矢量旋翼、后矢量旋翼提供矢量推力，使飞行机器人在空中悬停的同时，右前车轮、左前车轮抵住墙面，机身绕右前车轮、左前车轮轴线向前倾转，从而使飞行机器人整体贴附在墙面上；为了保证飞行机器人从空中翻转至墙面的过程中一直悬停在原位置，前矢量旋翼、后矢量旋翼螺旋桨平面需要始终保持与地平面平行；

阶段三：飞行机器人检测到机体贴附于墙面后，自动切换为墙面爬行状态；此时飞行机器人的背部贴附于墙面，所以飞行机器人附着在墙面后，头部向下，尾部向上；

(5)飞行机器人从墙面起飞的方法：

飞行机器人从墙面起飞的方法可以实现飞行机器人从墙面爬行状态转换为空中飞行状态；转换过程分为三个阶段，称为阶段四、阶段五、阶段六；

阶段四：飞行机器人在墙面爬行状态下由前、后矢量旋翼提供的矢量推力稳定在墙面上，此时飞行机器人右前车轮、左前车轮在下，左后车轮、右后车轮在上；前矢量旋翼、后矢量旋翼在舵机带动下改变矢量推力方向，矢量推力在竖直方向的分力抵消飞行机器人重力，使重心依然保持在原来位置，矢量推力在水平方向的分力提供飞行机器人的倾转力矩；这一阶段，倾转力矩的作用是提供一个短暂的加速度，让机体在短时间内拥有一个初始倾转角速度；

阶段五：飞行机器人的前、后矢量旋翼调整矢量推力，使机体由竖直状态平稳翻转至水平状态；

阶段六：飞行机器人检测到机体回到平飞姿态后，自动切换为空中飞行状态；

(6)飞行机器人从地面爬上墙面的方法：

飞行机器人从地面爬上墙面的方法可以实现飞行机器人从地面行驶的状态自动转换为垂直贴附于墙面的墙面爬行状态；该转换过程包括三个阶段，称为阶段七、阶段八、阶段九；

阶段七：飞行机器人为地面行驶状态；在该状态下飞行机器人前矢量旋翼、后矢量旋翼产生的矢量推力推动飞行机器人行驶至墙边；飞行机器人用右前车轮、左前车轮触碰到墙面；

阶段八：飞行机器人检测到右前车轮、左前车轮触碰墙面后切换为地面至墙面的过渡状态，在该状态下，前矢量旋翼和后矢量旋翼提供矢量推力，使飞行机器人的右前车轮、左前车轮抵住墙面，机身绕右前车轮、左前车轮轴线向前倾转，从而使飞行机器人整体贴附在墙面上，

阶段九：飞行机器人检测到机体贴附于墙面后，自动切换为墙面爬行状态；在该状态下，飞行机器人的背部贴附于墙面，所以飞行机器人贴附在墙面后，头部向下，尾部向上；

(7)飞行机器人从墙面返回地面的方法：

飞行机器人从墙面返回地面的方法可以实现飞行机器人从墙面爬行状态转换为地面行驶状态；该转换过程分为三个阶段，称为阶段十、阶段十一、阶段十二；

阶段十：飞行机器人在墙面爬行状态下由前、后矢量旋翼提供的矢量推力稳定在墙面上，此时右前车轮、左前车轮在下，左后车轮、右后车轮在上；飞行机器人首先返回至墙角，前矢量旋翼、后矢量旋翼在舵机带动下改变矢量推力方向，矢量推力在水平方向的分力提供飞行机器人的倾转力矩；这一阶段，倾转力矩的作用是提供一个角加速度，让机体在短时间内拥有一个初始倾转角速度；当机器人检测到倾转角度超过阈值后，自动切换至阶段十一；

阶段十一：飞行机器人前、后矢量旋翼调整矢量推力，使机体由前倾姿态平稳翻转至水平姿态；

阶段十二：飞行机器人检测到机体回到地面后，自动切换为地面行驶状态，并在前矢量旋翼、后矢量旋翼提供的矢量推力的作用下驶离墙面。

2.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于车轮是无动力的，车轮并不连接电机，飞行机器人运动的所有动力都来自前、后矢量旋翼产生的矢量推力；车轮的直径大于螺旋桨的直径，可以保护螺旋桨，防止螺旋桨刮蹭到墙面。

3.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：不必一定使用圆形车轮，也可以使用牛眼万向轮，或者将车轮改为支架等。

4.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：

阶段三、阶段九都为机器人墙面爬行阶段，它们的控制方法是一致的；机器人墙面爬行的控制方法分为高度控制和姿态控制；对于高度控制，矢量推力可分解为竖直方向的分力和水平方向的分力；其中，竖直方向的分力的大小通过串级PID算法实时解算，竖直方向的分力的作用是控制机器人在墙面爬行的高度，水平方向的分力的作用是提供固定的压力，从而使机体在压力作用下，贴附于墙面；由这两个分力可以计算出矢量推力的方向和大小，进而控制矢量旋翼的旋转角度和输出推力的大小；由于本发明所述的飞行机器人墙面附着方法是机体的背部贴附于墙面，所以机体贴附在墙面后，头部向下，尾部向上；墙面爬行是一种二维运动，所以机器人的姿态仅用一个旋转角就可以表示，通过设定目标姿态(即旋转角)，前矢量旋翼、后矢量旋翼在串级PID算法的控制下自动调节左右两组电机的差速，实现机器人在墙面的姿态控制，即左右电机转速相同时机器人保持竖直姿态，左侧电机推力大于右侧电机推力时机器人姿态向右倾斜从而在墙面向右运动，左侧电机推力小于右侧电机推力时机器人姿态向左倾斜从而在墙面向左运动。

5.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：阶段四中设定一个倾角阈值，由于机体在该阶段是前倾姿态所以俯仰角是负值，该阈值也是负值，假设墙面垂直于地面，则飞行机器人在该阶段的姿态由竖直转为水平；飞行机器人在俯仰角达到阈值之前执行阶段四，在俯仰角达到阈值后，飞行机器人恰好达到了一个合适的初始倾转角速度，此时程序自动切换到阶段五。

6.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：阶段十中，前矢量旋翼、后矢量旋翼输出的推力在水平方向的分力大小相同，方向相反，其中，前矢量旋翼产生的矢量推力在水平方向的分力指向墙面，后矢量旋翼产生的矢量推力在水平方向的分力指向墙外，这两个矢量推力在水平方向的分力提供飞行机器人的倾转力矩；设定一个倾角阈值，由于机体是前倾姿态所以俯仰角是负值，该阈值也是负值，假设墙面垂直于地面，则飞行机器人在该阶段的姿态由竖直转为水平；飞行机器人在俯仰角达到阈值之前执行阶段十，在俯仰角达到阈值后，飞行机器人恰好达到了一个合适的初始倾转角速度，此时程序自动切换到阶段十一。

7.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：所述的串级PID算法的每一级PID控制器的时域公式为：

其中，K_P、K_I、K_D为需要设定的参数，K_P为比例系数、K_I为积分系数、K_D为为微分系数；e(t)、e(τ)为PID控制器的输入量，即目标值与测量值的差值；F(t)为PID控制器的输出值；每一级PID控制器的输入量都是目标值与测量值的差；上一级PID控制器的输出值就是下一级PID控制器的目标值，最后一级PID控制器的输出值就是电机的控制量，电机控制量换算为脉宽调制信号PWM的占空比的值；电机的驱动电路就是由脉宽调制信号控制的，最终的结果就是大的电机控制量对应于大的占空比，大的占空比对应于大的电机转速。

8.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：实施例选用八个电机，并且每两个相邻电机转向相反，因此需要通过多个串级PID算法同时运行，才能解算出所有电机的控制量；同时运行的串级PID算法有四个，一个负责位置控制，三个负责姿态控制；飞行机器人位置控制的串级PID算法用于控制高度，解算出的是所有电机控制量的平均值；三个姿态量包括飞行机器人的俯仰、滚转和偏航，用于俯仰控制的串级PID算法解算出的是前矢量旋翼四个电机与后矢量旋翼四个电机的控制量的差值，用于滚转控制的串级PID算法解算出的是机身左侧的四个电机与机身右侧的四个电机的控制量的差值，用于偏航控制的串级PID算法解算出的是顺时针旋转的四个电机与逆时针旋转的四个电机的控制量的差值；依靠这四个同时运行的串级PID算法，就可以实现对所有电机转速的实时自动控制。

9.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：飞行机器人的操控选用遥控器、手机APP等，下面统称为遥控设备；

飞行机器人在地面爬行的控制方法中，控制者利用遥控设备设定飞行机器人的目标加速度；该加速度信号会实时发送给飞行机器人，从而控制旋翼方向和螺旋桨转速，进而控制飞行机器人的前进和后退；

飞行机器人在墙面爬行的控制方法中，利用遥控设备设定飞行机器人的目标高度，随后飞行机器人通过串级PID算法自动控制旋翼推力，使机体稳定在目标高度上，就能实现飞行机器人在墙面的垂直攀爬；遥控设备还能设定飞行机器人的目标姿态，随后飞行机器人通过串级PID算法自动控制旋翼推力，使机体稳定在目标姿态上，机体向左倾飞行机器人会向左移动，机体向右倾飞行机器人会向右移动；

飞行机器人在空中飞行的控制方法中，利用遥控设备设定飞行机器人目标高度和目标姿态；随后飞行机器人通过串级PID算法自动控制电机推力输出，使机体稳定在目标高度和目标姿态上。

10.根据权利要求1所述的一种飞行机器人跨维度运动的方法，其特征在于：飞行机器人操控过程中模式切换的控制方法；模式切换只需要遥控设备输出一个模式切换信号，飞行机器人就会自动改变运动模态；在空中飞行模式下，操控者用遥控设备输出上墙信号，接下来需要操控者遥控飞行机器人抵近墙面，在右前车轮和左前车轮触碰到墙面的瞬间，飞行机器人会自动检测到触碰，从而自动执行阶段一至阶段三所述的控制算法，最终飞行机器人会自动完成空中至墙面的过渡；当飞行机器人处于墙面爬行状态时，控制者用遥控设备输出墙面起飞信号，飞行机器人将自动执行阶段四至阶段六所述的控制算法，最终飞行机器人会自动从墙面起飞回到空中飞行模式；在地面行驶模式下，操控者用遥控设备输出上墙信号，接下来需要操控者遥控飞行机器人抵近墙面，在右前车轮和左前车轮触碰到墙面的瞬间，飞行机器人会检测到触碰，从而自动执行阶段七至阶段九所述的控制算法，最终飞行机器人会自动完成地面至墙面的过渡；当飞行机器人处于墙面爬行状态时，控制者先遥控飞行机器人爬行至墙角，随后用遥控设备执行输出返回地面信号，飞行机器人将自动执行阶段十至阶段十二所述的控制算法，最终飞行机器人会自动从墙面回到地面，即从墙面爬行状态回到地面行驶状态。