[發(fā)明專利]一種火星星表低空拋投機器人及其控制方法

有效

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• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111959825B
• 公開（公告）日: 2023-10-13
• 發(fā)明（設計）人: 陳金寶;陳傳志;汪捷;王東輝;崔繼云;江安瀾;霍偉航;宋志成;董家宇;吳迪
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B64G1/16
• 分類號: B64G1/16;G05B13/04
• 代理公司: 重慶市信立達專利代理事務所(普通合伙) 50230
• 代理人: 陳炳萍

1.一種火星星表低空拋投機器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述火星星表低空拋投機器人的控制系統(tǒng)包括：延展拓撲機器人、緩沖包覆層；

緩沖包覆層，由4片圓形鋁蜂窩夾層緩沖墊和6個爆炸螺栓組成；用于實現(xiàn)延展拓撲機器人的軟著陸，著陸后引爆螺栓解鎖；

延展拓撲機器人，基于變幾何多變桁架的一種多閉鏈移動連桿機構(gòu)，由6個可延展連桿、4個節(jié)點以及電控系統(tǒng)組成。

2.如權(quán)利要求1所述火星星表低空拋投機器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述所述伸縮桿由三級絲杠和四級護罩組成，一級護罩為支撐，其余三級可依次從一級護罩中伸出，四級護罩之間可沿軸向相對運動，不可繞軸線轉(zhuǎn)動；伸縮桿分為單向驅(qū)動和雙向驅(qū)動兩種方案，雙向驅(qū)動由兩個相同的單向伸縮結(jié)構(gòu)組成；

所述節(jié)點由節(jié)點支架、3個虎克鉸鏈、電器保護殼、外層緩沖墊組成，單個節(jié)點質(zhì)量為300g；機器人節(jié)點內(nèi)部布置有載荷設備和控制模塊；

所述電控系統(tǒng)由著陸器主控計算機、多個分布式連桿控制單元組成。

3.一種使用權(quán)利要求1所述的火星星表低空拋投機器人的控制系統(tǒng)制備的火星星表低空拋投機器人，其特征在于，所述火星星表低空拋投機器人由6個可延展連桿、4個節(jié)點以及控制通訊系統(tǒng)組成；

可延展連桿，由兩個相同的單向伸縮結(jié)構(gòu)組成，鏡像并排布置，通過電機可分別驅(qū)動兩個部分的中心絲杠轉(zhuǎn)動，并將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為護罩的直線運動；由三級絲杠-螺母和四級護罩組成；采用此種構(gòu)型可將電機、控制器、電池等模塊集成在伸縮桿的中間部分；

節(jié)點，機器人的節(jié)點不僅要在運動過程中充當“足”的角色，還要在內(nèi)部布置載荷設備和控制模塊；確保機器人在做各種機動時伸縮桿不會與地面碰撞，盡可能減少對機器人整體結(jié)構(gòu)造成不確定影響；

機器人電控系統(tǒng)，主要由中央計算機、無線通訊模塊、電池測量模塊、核心計算和連桿控制單元組成。

4.一種如權(quán)利要求3所述火星星表低空拋投機器人的控制方法，其特征在于，所述火星星表低空拋投機器人的控制方法包括：

步驟一，著陸器主控計算機向每一個連桿發(fā)送隨時間連桿長度變化的指令序列，廣播一個通用的GO指令到整個結(jié)構(gòu)體；

步驟二，在分布式連桿控制單元接受到GO指令后，各個連桿在自身控制器的控制下開始按照序列進行伸展和收縮；

步驟三，在運動過程中，主控計算機查詢狀態(tài)，獲得當前各個連桿的長度、傾角信息，進而獲得連桿的空間狀態(tài)；同時對電機電流、連桿PCB板的溫度進行狀態(tài)監(jiān)控，以便能夠保證系統(tǒng)的正常運行，在發(fā)生故障時，進行故障診斷。

5.如權(quán)利要求3所述火星星表低空拋投機器人的控制方法，其特征在于，所述火星星表低空拋投機器人的控制方法采用機器人分散控制策略，分別對機器人的各個連桿進行控制；

分散控制兩層結(jié)構(gòu)：著陸器上層主控計算機輸出控制指令到每個連桿微控制器，每一個微控制器都控制一個獨立的連桿；

主控計算機發(fā)送步態(tài)控制命令到連桿微控制器，連桿微控制器查詢運動步態(tài)庫，確定當前運動步態(tài)，通過相應控制律向連桿驅(qū)動單元發(fā)送控制命令；

著陸器上層主控計算機根據(jù)機器人當前位置和目標位置進行軌跡規(guī)劃，確定下一步運動步態(tài)，同時主控計算機還對連桿狀態(tài)進行監(jiān)控。

6.如權(quán)利要求3所述的火星星表低空拋投機器人的控制方法，其特征在于，所述變拓撲火星星表低空拋投機器人的控制方法的兩種獨立連桿控制律包括：

(1)PID控制：

連桿之間存在解耦，每個連桿、關節(jié)的運動都會對其他關節(jié)產(chǎn)生影響，通過誤差補償控制律進行抑制；

(2)分散自適應控制：

第1項：自適應跟蹤和部分擾動項補償項的合成；

第2項：自適應位置-速度反饋控制器；

第3項：位置-速度-加速度前饋控制器；

在處理器中需要上述分散自適應控制器的離散化形式，具體每個采樣時刻N的離散化形式如下：

控制律中的增益部分離散化形式如下：

編程實現(xiàn)時將控制律增益編制成一個函數(shù)，供程序在每個采樣時刻重復調(diào)用以實時生成控制器增益。