一种双关节串联驱动的陆空双模态底盘系统及控制方法

本发明属于飞行汽车及轮腿式机器人，具体涉及一种双关节串联驱动的陆空双模态底盘系统及控制方法。

背景技术：

1、在低空经济大力发展的背景下，兼具陆地行驶与空中飞行能力的飞行汽车受到广泛关注。然而，现有轮翼一体化飞行汽车在陆空衔接机构方面存在明显不足：一方面，传统轮翼连接单元仅依靠单个舵机完成陆空模态切换，机构刚性连接多、缺乏减震装置；或仅配备被动式阻尼悬架，面对复杂地形或着陆冲击时减振能力不足，极易引发轮内传动齿轮与旋翼结构的损伤；另一方面，轮腿式机器人领域已验证了串联关节结构在地面减振与着陆缓冲方面的优越性，通过算法与关节电机协同配合，可有效实现惯性卸载与主动悬架功能，且相比复杂的多连杆主动悬架结构更为紧凑轻量，但上述方案尚未系统性地应用于飞行汽车底盘设计。

2、因此，研发一种兼顾地面行驶平顺性、着陆缓冲吸能与陆空模态灵活切换的飞行汽车主动悬架系统具有重要的工程价值。

技术实现思路

1、针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双关节串联驱动的陆空双模态底盘系统及控制方法，通过复合驱动关节与末端模态切换关节的协同工作，解决现有技术中单一机构难以兼顾地面行驶平顺性、着陆缓冲吸能与陆空模态灵活切换的难题。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明的一种双关节串联驱动的陆空双模态底盘系统，应用于飞行汽车中，包括：多源感知单元、中央计算单元、车身基座、复合关节驱动组件、悬架摆臂、模态切换组件以及轮-翼一体化组件；其中，

4、多源感知单元，用于实时采集车身姿态数据与离地间隙数据，并发送给中央计算单元；

5、中央计算单元，安装于车身基座中，用于输出控制指令给复合关节驱动组件及模态切换组件；

6、复合关节驱动组件的一端与车身基座固定连接，另一端与悬架摆臂的一端刚性连接；

7、悬架摆臂的另一端与模态切换组件连接；

8、模态切换组件与轮-翼一体化组件连接。

9、进一步地，所述多源感知单元，包括安装于车身基座内部的六轴惯性测量单元（imu）及安装于车身基座下方的毫米波雷达测距仪。

10、进一步地，所述中央计算单元将多源感知单元发送的数据进行卡尔曼滤波融合，实时估计车身垂向加速度、俯仰角、侧倾角及各车轮离地间隙，并结合目标任务指令进行运动模态决策，输出对应的关节控制指令。

11、进一步地，所述车身基座的四角各设有一组安装位，用于固定腿部支架，所述腿部支架的一端与车身基座固定连接，另一端与复合关节驱动组件刚性连接；通过腿部支架的转接，将关节驱动载荷有效分担至车身基座上。

12、进一步地，所述复合关节驱动组件，包含关节伺服电机、绝对值编码器及弹性阻尼组件；所述关节伺服电机与弹性阻尼组件同轴并联布局；

13、所述关节伺服电机的定子法兰刚性连接于车身基座的腿部支架上，关节伺服电机的输出轴与悬架摆臂的一端刚性键槽连接，构成车身基座至悬架摆臂的主动驱动链路；所述关节伺服电机在位置伺服模式下驱动悬架摆臂偏转以调节车身离地高度与推力方向；在阻抗控制模式下，根据绝对值编码器反馈的角度与角速度信号，以及多源感知单元反馈的车身姿态数据，实时计算并输出动态可调的阻抗力矩；

14、所述绝对值编码器同轴集成于关节伺服电机的输出轴，绝对值编码器的壳体固定安装于关节伺服电机的端盖上，保持与车身基座相对静止，绝对值编码器的检测轴与关节伺服电机的输出轴同轴固连，随悬架摆臂同步旋转；所述绝对值编码器采集悬架摆臂相对于腿部支架的绝对角度位置信号与瞬时角速度信号，在阻抗控制中作为刚度项和阻尼项的状态反馈输入；中央计算单元根据该绝对角度信号计算弹性阻尼组件的实时形变量，进而求得弹性阻尼组件作用于悬架摆臂的回复力矩，用以在主动避障或着陆缓冲过程中实现闭环力矩反馈及阻抗控制算法的前馈补偿；

15、所述弹性阻尼组件包括：减震器及套设于减震器上的螺旋弹簧；减震器的一端与腿部支架上设有的第一铰接耳座铰接，另一端与悬架摆臂中部设有的第二铰接耳座铰接，两处铰接轴线均与关节伺服电机的输出轴的轴线平行；螺旋弹簧以预压缩状态安装于减震器两端的弹簧座之间；当悬架摆臂绕输出轴摆动时，两个铰接耳座之间的距离随摆角变化，螺旋弹簧对悬架摆臂产生绕输出轴轴线的回复力矩，减震器同时产生阻碍悬架摆臂摆动的阻尼力矩。

16、进一步地，所述阻抗力矩由如下三个分量叠加构成：

17、与悬架摆臂绕输出轴摆动的角加速度成比例的虚拟惯性力矩，，用于调节悬架摆臂对加速度变化的响应快慢；

18、与悬架摆臂绕输出轴摆动的角速度成比例的虚拟阻尼力矩，，用于控制运动能量的耗散速率；

19、与悬架摆臂的转角偏差成比例的虚拟刚度力矩， ，用于调节偏离目标角度后的恢复力矩大小；

20、其中，为绝对值编码器实测的悬架摆臂绕输出轴的转角；为该转角角速度；为该转角的角加速度，通过角速度的微分或六轴惯性测量数据获取；为目标平衡角度；分别为虚拟转动惯量、虚拟扭转阻尼和虚拟扭转刚度；当着陆冲击或路面颠簸时，关节伺服电机按照上述阻抗力矩的三个分量主动调整输出力矩，顺应冲击力使悬架摆臂向冲击方向偏转退让，并在悬架摆臂复位阶段利用阻尼分量吸收并抑制螺旋弹簧释放弹性势能时产生的振荡，从而实现着陆模态下的姿态平稳与柔顺缓冲。

21、进一步地，所述悬架摆臂由碳纤维复合材料制成，其内部中空形成走线通道，一端通过键槽连接关节伺服电机的输出轴，另一端通过u型安装座连接模态切换组件。

22、进一步地，所述模态切换组件，包含：关节翻转舵机与机械锁止卡销；

23、所述关节翻转舵机为内部集成减速齿轮组的伺服舵机，包括舵机壳体与输出轴，输出轴的端部固定设有连接法兰；舵机壳体固定设于u型安装座内，连接法兰的轴线与悬架摆臂的纵向中心线垂直，且位于悬架摆臂的摆动平面内；连接法兰与轮-翼一体化组件刚性相连，使轮-翼一体化组件可绕关节翻转舵机的输出轴轴线整体翻转；当悬架摆臂处于竖直姿态时，翻转轴线水平且与车身纵向平行，轮-翼一体化组件翻转90°即可在轮面竖直的地面行驶姿态与轮面水平的飞行姿态之间切换；

24、所述机械锁止卡销采用电磁插销式结构，由驱动壳体及受其驱动的伸缩杆组成，所述驱动壳体内部集成有电磁线圈与复位弹簧；所述伸缩杆的根部与复位弹簧连接，中部穿设于电磁线圈内，所述驱动壳体刚性安装于u型安装座的内侧壁面上，且位于关节翻转舵机的斜上方；伸缩杆的轴线与关节翻转舵机的输出轴轴线平行。

25、进一步地，所述轮-翼一体化组件包括：轮毂驱动电机定子支架、轮毂驱动电机、外圈轮胎、推进电机及桨叶；

26、所述轮毂驱动电机定子支架包括：法兰盘与中心筒；法兰盘与连接法兰同轴刚性连接，中心筒与法兰盘同轴刚性连接；推进电机同轴安装于中心筒的内腔，推进电机的输出轴伸出中心筒并与桨叶驱动连接，桨叶收拢时位于外圈轮胎的轮辋内圈范围内；轮毂驱动电机的定子固定于中心筒的外周，轮毂驱动电机的外转子通过两组深沟球轴承支承于中心筒的外圆面上，外转子的外周缘与外圈轮胎的内衬轮辋刚性连接；所述轮毂驱动电机定子支架上的两个锁止凹槽开设于法兰盘的侧面上。

27、本发明还提供一种双关节串联驱动的陆空双模态底盘系统的控制方法，基于上述系统，方法步骤如下：

28、1）从陆到空的起飞控制；

29、11）中央计算单元向复合关节驱动组件中的关节伺服电机发送提升指令，关节伺服电机驱动悬架摆臂相对于车身基座向下摆动，克服整车重力，将车身基座平稳抬升；

30、12）绝对值编码器实时采集悬架摆臂向下摆动过程中悬架摆臂的绝对角度，并将角度数据发送至中央计算单元，当绝对角度达到对应于设定起飞离地间隙的目标位置时，中央计算单元控制关节伺服电机进入位置保持模式，利用电机的电磁保持力矩对悬架摆臂的当前姿态进行刚性锁定；

31、13）中央计算单元确认车身高度锁定完成后向模态切换组件发送解锁信号，控制机械锁止卡销通电并进行退销动作，使伸缩杆退出锁止凹槽，从而解除对轮-翼一体化组件旋转自由度的物理约束；

32、14）关节翻转舵机驱动轮-翼一体化组件，由垂直于地面的地面行驶姿态，平滑且匀速地翻转90度，直至到达平行于地面的水平飞行姿态；

33、15）中央计算单元控制切断对机械锁止卡销的电磁供电，机械锁止卡销受复位弹簧的驱动力作用弹出，嵌入对应于水平飞行姿态的锁止凹槽内，实现轮-翼一体化组件与悬架摆臂之间的机械刚性锁止，以隔离飞行汽车的螺旋桨产生的高频飞行振动对关节翻转舵机内部减速齿轮的冲击与损耗；

34、2）着落时的落地缓冲控制；

35、21）多源感知单元实时采集飞行汽车降落过程中的离地真实高度及下降率，当离地真实高度等于可降落值时，中央计算单元向模态切换组件发送解锁指令信号，机械锁止卡销退销，完成退销后，关节翻转舵机驱动轮-翼一体化组件由平行于地面的飞行姿态，平滑且匀速翻转90度，直至到达垂直于地面的预备着陆姿态；

36、22）外圈轮胎触地，螺旋弹簧与减震器发生被动压缩形变，吸收着陆冲击力，完成第一级机械缓冲保护；同时，绝对值编码器同步采集因弹性阻尼组件压缩而产生的悬架摆臂的角度偏差，并发送至中央计算单元；中央计算单元控制解除关节伺服电机原有的位置保持模式，将关节伺服电机切换为阻抗控制模式，并从预先标定的参数表中调取对应于着陆冲击工况的阻抗参数组；

37、23）关节伺服电机计算阻抗力矩，计算式如下：

38、；

39、其中，为当前弹性阻尼组件的回复力矩；在该阻抗控制模式下关节伺服电机带动悬架摆臂向上收缩执行屈膝动作；此阶段虚拟扭转阻尼取值大以提供强力的能量耗散，虚拟扭转刚度取值小使系统在冲击方向上呈现柔顺特性，虚拟转动惯量取值偏大以平滑冲击加速度的突变峰值；关节伺服电机产生的主动阻尼力矩与螺旋弹簧和减震器的回复力矩在力学传递上形成并联协同，共同耗散由车身基座下降来的惯性动能；

40、24）随着着陆动能的逐渐衰减与耗散，中央计算单元根据多源感知单元采集到的车身姿态数据对着陆冲击工况的阻抗参数组进行分阶段动态调整，在冲击峰值过后的回弹抑制阶段，维持高的虚拟扭转阻尼以抑制螺旋弹簧和减震器在压缩极限后释放弹性势能时产生的反弹力，同时逐步增大虚拟扭转刚度以引导悬架摆臂向目标巡航角度平滑复位；参数切换采用一阶惯性过渡，避免控制力矩的阶跃跳变；当悬架摆臂角度恢复至预设的地面巡航离地间隙对应的目标值，将阻抗参数组切换为地面行驶模式参数组，最终实现飞行汽车的软着陆。

41、进一步地，所述阻抗参数组的确定方式如下：

42、采用天牛须仿生优化算法，将12个待优化阻抗参数编码为一个12维位置向量，构造综合性能评价函数j作为适应度函数，综合性能评价函数j中同时考虑车身垂向加速度的均方根值和峰值、摆臂角度超调量以及电机能耗；在仿真环境中模拟飞行汽车以设定下降速度着陆的冲击工况，综合性能评价函数j值越小表示综合性能越优；

43、通过在当前参数向量两侧施加对称扰动、比较两处综合性能评价函数j的取值差异来确定搜索方向，向j取值更低的方向更新参数向量，且搜索步长随迭代次数逐步衰减，直至收敛到较优参数；通过在不同工况（不同下降速度、车身质量等）下分别运行上述优化过程，建立工况-较优参数的映射数据集。

44、进一步地，将天牛须仿生优化算法优化得到的映射数据集训练bp神经网络，该网络的输入为当前工况特征，输出为四组复合关节驱动组件的共计12个阻抗参数；在训练前，先利用天牛须仿生优化算法对bp神经网络的初始权值和阈值进行预寻优，以提高网络的收敛精度；中央计算单元利用优化后的bp神经网络，在每个控制周期根据多源感知单元采集的数据输入预测对应的阻抗参数组，计算控制力矩。

45、本发明的有益效果：

46、1、本发明将悬架摆臂、复合关节驱动组件、腿部支架构成三角形承力构型，减少了悬架零部件数量与机构质量；螺旋弹簧的预紧力可承担车身静态重力，实现对关节伺服电机的重力卸载，有助于降低底盘系统的静态热功耗，同时弹簧的被动机械刚度与电机的虚拟阻抗刚度构成并联弹性系统，总等效刚度可在一定范围内连续调节。

47、2、本发明通过悬架摆臂将关节伺服电机与关节翻转舵机串联布置；在着陆或越野工况下，弹性阻尼组件先吸收冲击峰值（第一级被动机械缓冲），随后关节伺服电机依据阻抗力矩公式输出动态力矩（第二级主动阻尼缓冲），两级协同将地面冲击力截止于传力链根部，有效降低冲击力向末端关节翻转舵机传导的风险，提升传动系统的使用寿命。

48、3、本发明将阻抗控制与旋转关节结构相结合，使得地面行驶时的主动隔振与着陆冲击时的柔顺缓冲可在统一的阻抗控制框架下实现，区别仅在于参数组取值不同；地面行驶时采用中等阻尼、中等刚度的参数配置侧重隔振，着陆冲击时切换为高阻尼、低刚度的参数配置侧重吸能，避免了不同控制模式切换时的逻辑冲突与力矩突变。

49、4、本发明引入了天牛须仿生优化bp神经网络变阻抗方法，针对地面行驶模态平整路面巡航、越野颠簸等工况，以及着陆模态的不同下降速度、冲击强度等工况，先通过天牛须仿生优化算法对12维参数空间进行寻优，得到各工况下的较优参数组；再通过bp神经网络建立从工况特征到阻抗参数的映射，使系统在陆空双模态工况切换时实时调整阻抗参数，尽量避免模态切换时的参数失配与力矩突变。