可分离式立体侦察机器人运动控制研究

摘要

随着互联网、人工智能等高新科技的飞速发展，侦察机器人系统在军事、消防、救灾、勘探等领域获得了广泛的应用。目前，国内外在研、在用的侦察机器人系统分为空中侦察机器人系统和陆地侦察机器人系统两大系列，均具有明显的优势特点，本文设计一种可分离式立体侦察机器人，兼顾空中飞行与地面移动行走，实现了陆域、空域协同立体式侦察，是对现有侦察机器人体系的有利补充。
　　首先，设计了可变形履带式机器人与四旋翼无人机相结合的方案，采用磁力锁吸合与多自由度机械手臂抓取的物理结构，实现两者之间的快速分离与刚体结合，同时设计了空中飞行控制系统与地面移动行走控制系统，采用MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)协议作为远端姿态控制协议。
　　其次，通过牛顿-欧拉法建立机器人姿态角解算模型，描述其横滚角、俯仰角和偏航角三种飞行姿态角，根据模型建立系统状态方程和观测方程，采用改进型的卡尔曼滤波算法——无色卡尔曼滤波算法与扩展卡尔曼滤波算法进行姿态角解算，并通过Matlab仿真对比，验证无色卡尔曼滤波算法与扩展卡尔曼滤波算法的姿态角解算精度与实时性，对比仿真结果表明，无色卡尔曼滤波算法比扩展卡尔曼滤波算法姿态角估计精度更高、实时性更强，最终采用无色卡尔曼滤波算法进行姿态角解算，得到飞行姿态角最优估计值，并应用于实际飞行控制系统中。
　　最后，研制出侦察机器人样机，实现了高空飞行、地面移动、爬坡、语音控制、远端语音视频回传，以及四旋翼无人机与履带式机器人的智能结合与智能回收等功能，并在实际环境中对样机的性能与功能进行测试，测试结果表明，该款侦察机器人克服了传统侦察机器人系统面临的地形受限问题，具备良好的侦察地形适应能力，机动性良好，通信距离远，综合侦察作业时间长，真正做到立体式全方位侦察，提高了无人侦察的效率。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2．1 空中侦察机器人系统

1．2．2 陆地侦察机器人系统

1．2．3 陆空两栖侦察机器人系统

1．3 侦察机器人发展趋势及性能需求分析

1．4 论文研究内容及章节安排

第2章 可分离式立体侦察机器人设计方案

2．1 机器人功能设计

2．2 机器人结构方案

2．3 机器人控制系统总体设计方案

2．4 机器人硬件控制系统设计

2．4．1 空中机器人硬件系统设计

2．4．2 陆地机器人硬件系统设计

2．5 机器人软件控制系统设计

2．5．1 空中机器人软件控制系统

2．5．2 陆地机器人软件控制系统

2．5．3 地面站控制系统软件设计

2．6 本章小结

第3章 机器人通信协议系统设计

3．1 机器人通信协议选择

3．2 MQTT通信协议发展情况

3．3 MQTT通信协议内容

3．3．1 固定报头

3．3．2 可变报头

3．3．3 有效载荷

3．4 MQTT通信协议实现过程

3．5 本章小结

第4章 机器人运动状态估计

4．1 机器人运动学模型

4．1．1 坐标系建立

4．1．2 机器人受力分析

4．2 卡尔曼滤波原理及改进

4．3 无色卡尔曼滤波器设计

4．4 机器人运动状态估计

4．5 算法仿真验证

4．6 本章小结

5．1 起飞姿态角变化情况测试

5．2 地面移动行走与空中飞行能力测试

5．2 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

声明