一种滑移转向轮腿式车辆的轨迹确定方法、设备及介质

本技术涉及机器人轨迹控制领域，特别是涉及一种滑移转向轮腿式车辆的轨迹确定方法、设备及介质。

背景技术：

1、轮腿式车辆是一种融合了轮式与腿式移动机制的新型无人平台，兼具轮式结构在平坦路面上的高速行驶能力和腿式结构对复杂地形的强适应性。在结构化环境中，该类车辆能够以接近传统无人地面机器人的效率执行快速机动与任务，而在非结构化或极端崎岖地形中，则通过轮腿复合运动模式显著提升通过性与持续作业能力。

2、尽管机动潜力显著，轮腿式车辆的运动规划仍面临严峻挑战。首先，现有轨迹规划方法仅聚焦于基座质心的运动生成，忽视了对车轮运动学与足端力的系统考虑。然而在实际环境中，要求基座与车轮之间高度协同运动，在许多复杂地形（如崎岖岩石、松软沙地）上，必须通过主动控制车轮的位姿与触地力，才能与基座运动协调，共同实现稳定穿越，仅规划质心轨迹无法生成这类全身协同动作，极大限制了车辆本应具备的高通过性。其次，轮式移动机构在非结构化地形上不可避免地会出现滑移和滑转，显著影响了运动的准确性、稳定性和能量效率。然而，大多数现有规划方法基于纯滚动（无滑移）的理想假设建立运动学和动力学模型。该假设在平整硬地面上近似成立，但在松散、湿滑或不平的地形中会带来巨大误差，同时车辆在滑移转向时会出现车轮滑移现象，如果不考虑车轮滑移、滑转，会导致规划出的轨迹在实际执行时出现严重偏差、控制失效，甚至无法稳定运动，严重制约了车辆的高速动态性能和鲁棒性。

3、同时，许多现有规划算法主要在几何层面处理障碍物避撞，未能将地形的物理属性（如地面坡度、粗糙度等）融入规划决策，这导致规划器可能生成在几何空间内无碰撞、但要求车轮踏入物理上不可行或高风险落足点（如不稳定砾石）的路径。由于未能依据落足点质量进行自适应推理，车辆无法自主选择可稳定支撑的轮地接触点序列，从而严重制约了其在复杂地形中的通过能力和运动可靠性。此外，现有方法通常依赖预先指定的步态序列，并在该序列基础上进行轨迹优化，这种固定模式难以适应动态变化或高度不规则的地形环境，无法根据地形调整步态策略，严重限制了车辆自主发现最优运动策略的能力。限制了车辆在真实复杂环境中的自主性。最后，由于基座的实际运动由车轮与地面相互作用间接决定，直接规划其轨迹常会引入物理偏差，导致控制性能下降甚至系统失稳。为实现轮腿式车辆在真实环境中的高性能运动，必须在规划层系统考虑车轮轨迹与地面反力，该过程受到多种物理约束的制约，包括车轮-地面接触几何、地面反力可行域、机构运动学极限以及防滑要求等。在地面附着条件较差时，合理分配接触力并维持稳定性尤为关键。这些约束间的复杂交互关系，使得通过人工方式设计轨迹与力分配极为困难。

4、因此，基于上述问题，亟需提供一种滑移转向轮腿式车辆的轨迹确定方法、设备及介质，能够提高轮腿式车辆在复杂环境下的可控性与运动精度。

5、申请内容

6、本技术的目的是提供一种滑移转向轮腿式车辆的轨迹确定方法、设备及介质，能够提高轮腿式车辆在复杂环境下的可控性与运动精度。

7、为实现上述目的，本技术提供了如下方案：

8、第一方面，本技术提供了一种滑移转向轮腿式车辆的轨迹确定方法，滑移转向轮腿式车辆的轨迹确定方法包括：

9、基于轮腿式车辆运动区域的三维点云数据构建高程栅格地图；

10、根据所述高程栅格地图，确定轮腿式车辆的可通行地图；

11、以接触力最小化和车轮速度最小化为目标，构建轮腿式车辆轨迹确定模型；轮腿式车辆轨迹确定模型的约束条件包括：单刚体动力学模型、滑移转向运动学模型和轮胎滑移模型；

12、根据轮腿式车辆的起点、终点以及所述可通行地图，基于所述轮腿式车辆轨迹确定模型，确定轮腿式车辆的轨迹。

13、可选地，所述基于轮腿式车辆运动区域的三维点云数据构建高程栅格地图，具体包括：

14、获取轮腿式车辆运动区域的三维点云数据；

15、对所述三维点云数据依次进行去噪、滤波和坐标变换，得到预处理后的三维点云数据；

16、将所述预处理后的三维点云数据离散为栅格单元，并确定每一栅格单元对应的高程值；

17、根据所述栅格单元和对应的高程值，确定高程栅格地图。

18、可选地，所述根据所述高程栅格地图，确定轮腿式车辆的可通行地图，具体包括：

19、对所述高程栅格地图进行地形特征提取，得到每一栅格单元的质量度量；

20、对所述质量度量进行加权，得到每一栅格单元的落足点得分；

21、根据所述落足点得分，对每一栅格单元进行二值化分类，得到分类结果；所述分类结果为可通行区域和不可通行区域；

22、根据所述可通行区域确定可通行地图。

23、可选地，所述对所述质量度量进行加权，得到每一栅格单元的落足点得分，具体包括：

24、利用公式确定每一栅格单元的落足点得分；

25、其中，为栅格单元的落足点得分，为栅格单元的中心点坐标，为质量度量的索引，为第个质量度量的权重系数，为第个质量度量，为第个质量度量的最大允许值。

26、可选地，所述以接触力最小化和车轮速度最小化为目标，构建轮腿式车辆轨迹确定模型，具体包括：

27、利用公式确定目标函数；

28、利用公式确定单刚体动力学模型；

29、利用公式确定滑移转向运动学模型；

30、利用公式确定轮胎滑移模型；

31、其中，为轮腿式车辆第个车轮时刻的足端力，为轮腿式车辆第个车轮时刻的车轮位置，为轮腿式车辆第个车轮时刻的车轮速度，为轮腿式车辆车轮的编号，为刚体的质量，为时刻轮腿式车辆车身的加速度，为时刻轮腿式车辆的角加速度，为时刻轮腿式车辆的角速度，为足端的数量，为重力加速度，为质心惯性矩，为时刻轮腿式车辆车身质心的位置，和分别为轮腿式车辆的纵向速度和横向速度，为车轮半径，为左侧车轮的轮速，为左侧车轮的滑移率，为右侧车轮的轮速，为右侧车轮的滑移率，为车身侧偏角，为轮腿式车辆的角速度，为轮距，和分别为第个车轮的纵向轮胎力和横向轮胎力，为车轮的纵向刚性系数，为车轮的横向刚性系数，为第个车轮的纵向滑移率，为第个车轮的侧偏角。

32、可选地，所述根据轮腿式车辆的起点、终点以及所述可通行地图，基于所述轮腿式车辆轨迹确定模型，确定轮腿式车辆的轨迹，具体包括：

33、根据轮腿式车辆的起点、终点以及所述可通行地图，基于线性插值生成初始离散节点和初始步态信息；

34、根据所述初始离散节点和所述初始步态信息，基于所述轮腿式车辆轨迹确定模型，得到轮腿式车辆的状态变量和相邻离散节点的间隔时间；所述状态变量包括：轮腿式车辆车身质心位置、轮腿式车辆的姿态、轮腿式车辆的车轮位置和轮腿式车辆的足端力；

35、利用hermite插值法对所述状态变量和所述相邻离散节点的间隔时间进行多项式曲线拟合，确定轮腿式车辆的轨迹。

36、可选地，所述根据所述初始离散节点和所述初始步态信息，基于所述轮腿式车辆轨迹确定模型，得到轮腿式车辆的状态变量和相邻离散节点的间隔时间，具体包括：

37、利用公式得到轮腿式车辆的状态变量和相邻离散节点的间隔时间；

38、其中，为时刻的状态变量，为时刻的状态变量的导数，为时刻的状态变量的二阶导数，为相邻离散节点的间隔时间，为轨迹起点状态变量，为轨迹总持续时间，为轨迹终点状态变量，为不等式约束，为等式约束，为时刻轮腿式车辆车身质心位置，为时刻轮腿式车辆的姿态，为轮腿式车辆第个车轮时刻的车轮位置，为轮腿式车辆第个车轮时刻的足端力。

39、可选地，所述利用hermite插值法对所述状态变量和所述相邻离散节点的间隔时间进行多项式曲线拟合，确定轮腿式车辆的轨迹，具体包括：

40、利用公式确定轮腿式车辆的轨迹；

41、其中，、、和分别为多项式的系数，为相邻离散节点的间隔时间，为第个节点的状态变量，为第个节点的状态变量的导数，为第个节点的状态变量，为第个节点的状态变量的导数。

42、第二方面，本技术提供了一种计算机设备，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现上述的滑移转向轮腿式车辆的轨迹确定方法的步骤。

43、第三方面，本技术提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的滑移转向轮腿式车辆的轨迹确定方法的步骤。

44、根据本技术提供的具体实施例，本技术具有了以下技术效果：

45、本技术提供了一种滑移转向轮腿式车辆的轨迹确定方法、设备及介质，通过结合高程栅格地图和可通行地图确定车轮能够可靠接触的区域，为轮腿式车辆的运动安全提供了保障；通过构建轮腿式车辆轨迹确定模型对轮腿式车辆的轮胎与地面之间的滑移转向进行分析，进而确定轮腿式车辆的轨迹，使得轮腿式车辆即使在高速或低附着条件下，依旧具有良好的可控性和运动精度。

技术实现思路