任佳 王計真 劉小川

摘要：為解決飛行器無法在復(fù)雜地形條件下著陸的問題，開展著陸裝置設(shè)計與控制方法研究。本文設(shè)計了一種六腿結(jié)構(gòu)，提出該結(jié)構(gòu)在復(fù)雜地形條件下的著陸設(shè)計方法，并通過Matlab仿真的方法，開展著陸性能與控制方法仿真。結(jié)果表明：該六腿起降裝置可有效適應(yīng)復(fù)雜地形條件下的著陸需求，通過控制驅(qū)動桿角度和足底坐標(biāo)均可以實現(xiàn)著陸控制，但直接控制足底坐標(biāo)的效果更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：起降裝置；復(fù)雜地形；著陸設(shè)計；控制

中圖分類號：V285文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.014

基金項目：航空科學(xué)基金（2017ZA23001）

近年來，隨著執(zhí)行任務(wù)的現(xiàn)代化和復(fù)雜化程度提高，對飛行器的要求越來越高[1-3]。為適應(yīng)復(fù)雜野外環(huán)境著陸和復(fù)雜應(yīng)用場景的需求，自適應(yīng)起降裝置將有著重要研究意義。

近些年來，智能控制方法[4]的發(fā)展使無人機具有更高的適應(yīng)性。此外，足式機器人在復(fù)雜環(huán)境下具有更高的靈活性與環(huán)境適應(yīng)性，與輪式、履帶式機器人相比具有明顯的優(yōu)勢，更容易實現(xiàn)復(fù)雜地形的穩(wěn)定行走與爬行[5]。其中，相比于單足、雙足、四足、八足等多種類型，六足結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性，深受研究者的青睞。

星球著陸探測器采用腿式結(jié)構(gòu)完成不平整表面的著陸，所以腿式結(jié)構(gòu)具有更高的復(fù)雜地形適應(yīng)性[6]。腿部系統(tǒng)作為起降裝置的重要結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特性直接決定了起降裝置的運動學(xué)特性和動力學(xué)特性[7]。所以，腿部系統(tǒng)的設(shè)計原則是采用仿生學(xué)理念，提出簡單且高效的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)仿生運動。本文提出一種基于飛行器的復(fù)雜地形腿式結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，可顯著拓展飛行器的（陸地）地形和（海洋）環(huán)境適應(yīng)能力。本文給出具體的設(shè)計過程，并基于設(shè)計的起降裝置構(gòu)型，給出其控制方法。通過仿真驗證的方式，證明該設(shè)計方法的可行性與有效性。

1起降裝置設(shè)計

基于無人直升機給出地形自適應(yīng)起降裝置的工作原理與設(shè)計方法。

1.1起降裝置設(shè)計構(gòu)型

該起降裝置不同于傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)和滑橇式結(jié)構(gòu)，融合仿生設(shè)計與智能控制，系統(tǒng)包括環(huán)境感知系統(tǒng)、控制/驅(qū)動系統(tǒng)、模塊化驅(qū)動關(guān)節(jié)和腿部承力結(jié)構(gòu)、足底緩沖橡膠等。

自適應(yīng)起降裝置包含6條腿共14個關(guān)節(jié)，其中每條腿具有兩個獨立關(guān)節(jié)，三條腿共用一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)實現(xiàn)腿部收入機體中。14個關(guān)節(jié)各自解耦，可分別控制。起降裝置的6條腿通過獨立的關(guān)節(jié)解耦控制，實現(xiàn)各自的姿態(tài)調(diào)整。腿部關(guān)節(jié)通過模塊化電驅(qū)動單元實現(xiàn)，包括伺服電機、減速機、制動器、編碼器和輸出軸。通過控制器控制電機驅(qū)動器，實現(xiàn)伺服電機的驅(qū)動和控制。

1.2起降裝置工作原理

應(yīng)用過程中，地形自適應(yīng)起降裝置的復(fù)雜地形著陸工作過程如圖2所示。

通過圖2可以看出，無人直升機在起動著陸過程后，通過以下5個步驟實現(xiàn)地形自適應(yīng)著陸：

（1）在指定高度懸停，通過雷達實現(xiàn)地形掃描與識別，建立著陸地形模型。

（2）起落架控制系統(tǒng)收到著陸地形模型后，在無人直升機緩慢著陸的過程中，同時控制起落架系統(tǒng)運動，實現(xiàn)著陸地形的姿態(tài)預(yù)擺。

（3）緩慢著陸直至起落架觸及地面，安裝于足部的載荷傳感器產(chǎn)生力信號，將力信號傳遞給起降裝置控制器，作為姿態(tài)控制的輸入量。

（4）起降裝置根據(jù)得到的力信號的無人直升機慣性測量單元（IMU）信號控制起降裝置的姿態(tài)，保證機身的水平和各條腿的載荷平均分布。

（5）起降裝置到達設(shè)定最終姿態(tài)，且調(diào)整至穩(wěn)定狀態(tài)后，關(guān)閉電源，通過制動器保持支持，完成著陸。

2起降裝置單腿設(shè)計方法

2.1理論模型

地形自適應(yīng)起落裝置采用相同設(shè)計的6腿結(jié)構(gòu)，且各條腿獨立控制，這里以單腿結(jié)構(gòu)為例，詳細描述起降裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。單腿結(jié)構(gòu)由連桿機構(gòu)組成，驅(qū)動關(guān)節(jié)位于機架的上方，有助于增加其結(jié)構(gòu)美觀性和提高其抗沖擊的能力。

如圖3所示，不考慮共用的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，單腿結(jié)構(gòu)由兩個四連桿機構(gòu)abcd和efgd，以及一個平行四邊形機構(gòu)dghi組成，兩個驅(qū)動關(guān)節(jié)安裝于a點和e點。利用四連桿機構(gòu)的死點位置設(shè)計，可有效降低對驅(qū)動元件輸出力矩的要求，可充分利用死點位置開展仿生腿抗墜撞設(shè)計。

以足底運動范圍滿足復(fù)雜地形著陸條件為約束條件，以關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩最小為優(yōu)化目標(biāo)，可確定單腿各連桿的長度參數(shù)，見表1。

2.2單腿機構(gòu)運動學(xué)建模

對于圖3的機構(gòu)設(shè)計圖，基于剛體假設(shè)，采用解析法，構(gòu)建單腿收放和起降過程的運動學(xué)和動力學(xué)理論分析模型，建立關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角與足端坐標(biāo)的定量函數(shù)關(guān)系。

由圖4～圖5可看出，ab桿或ef桿旋轉(zhuǎn)一周，均存在兩個死點位置，且其驅(qū)動力矩為0，兩個死點中間存在一個急回區(qū)間，驅(qū)動力矩出現(xiàn)高峰；在死點兩端區(qū)域，驅(qū)動力矩較小，為慢回區(qū)間，驅(qū)動力矩相對較小。實際著陸過程，兩個連桿機構(gòu)僅利用慢回區(qū)間，以降低驅(qū)動單元對驅(qū)動力矩的要求。

同時，在ab桿轉(zhuǎn)動過程中，ef桿的驅(qū)動力矩始終保持不變。也即兩桿的力矩自然解耦，ef桿的驅(qū)動力矩與ab桿的驅(qū)動角無關(guān)；同時，ab桿的驅(qū)動力矩也與ef桿的驅(qū)動角度無關(guān)。

3地形自適應(yīng)著陸仿真與控制

3.1典型地形著陸仿真

限制兩個關(guān)節(jié)的驅(qū)動桿ab和ef在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)的運動，可以得到足端的實際運動空間，如圖6所示。

通過圖6的足端運動空間可以看出，其可觸達的運動空間主要集中在x向[-100，500]，y向[-400，800]之間，運動范圍較大，通過分析可得，對于側(cè)向20°斜坡和200mm臺階，此設(shè)計腿式起落架可實現(xiàn)穩(wěn)定支持。

起降裝置需要根據(jù)不同的地形姿態(tài)調(diào)整其姿態(tài)，完成不同地形的自適應(yīng)著陸。著陸過程中，根據(jù)機身據(jù)地面的高度確定d點的坐標(biāo)，再根據(jù)地形條件確定足端落點位置坐標(biāo)，根據(jù)逆運動理論模型，解算出主動桿ab和ef的驅(qū)動角度和驅(qū)動力矩?？紤]到著陸過程為緩慢過程，地形穩(wěn)態(tài)支撐狀態(tài)的研究對復(fù)雜地形的起降和停放具有研究意義。圖7～圖9給出典型地形的支撐狀態(tài)。

3.2著陸控制

在起降裝置著陸控制過程中，多采用逆運動學(xué)分析，即已知足端n的坐標(biāo)，求解主動桿ab和連桿ef的驅(qū)動角。依然設(shè)定d點為坐標(biāo)原點，假設(shè)已知足端n的坐標(biāo)，求解主動桿ab和連桿ef的方位角。

對于起降裝置控制，采用分別給定單腿足底坐標(biāo)的方式完成著陸控制。此處給出單腿控制方法，說明控制的效果。

首先，以驅(qū)動桿ab和ef的輸入角度作為控制量對單腿系統(tǒng)進行控制，控制原理如圖10所示。其過程描述為在已知目標(biāo)的足底坐標(biāo)情況下，通過運動學(xué)反解，得到需要的系統(tǒng)輸入驅(qū)動角給定值，通過增量式比例積分微分（PID）比較驅(qū)動角的實際值與給定值，進而確定輸入驅(qū)動角的控制量，已達到控制驅(qū)動角的目的，通過驅(qū)動角實現(xiàn)單腿系統(tǒng)的控制。

控制單腿足端從某點運動到垂直支撐狀態(tài)，及足底坐標(biāo)的給定值為（500，-500）。通過解算得到驅(qū)動桿ab和ef的輸入值，控制仿真結(jié)果如圖11和圖12所示。

然后，還可采用另一種單腿控制的方法，即單腿系統(tǒng)的給定信號為坐標(biāo)的預(yù)設(shè)值，與實際的足底坐標(biāo)信號作比較得到輸入信號偏差，通過由運動學(xué)反解和PID控制器共同組成的控制系統(tǒng)，形成單腿系統(tǒng)所需的驅(qū)動角，將驅(qū)動角給如單腿系統(tǒng)獲得現(xiàn)在時刻的足底坐標(biāo)，通過傳感器監(jiān)測系統(tǒng)獲取足底坐標(biāo)的真實值，作為系統(tǒng)反饋的條件?？刂圃韴D如圖13所示。

采用同圖12相同的起止點坐標(biāo)進行控制仿真，其控制結(jié)果如圖14和圖15所示。

通過比較兩種控制結(jié)果可以看出，兩種控制方法均可以達到預(yù)想的控制效果，均無超調(diào)量，控制時間均在0.2s左右。對比足底運動軌跡，對于足底坐標(biāo)的直接控制運動軌跡更優(yōu)，對于驅(qū)動桿角度的控制方法在運動過程中存在明顯的振蕩，所以綜合看來對于足底坐標(biāo)的直接控制更有利于起降裝置的腿部運動控制。

4結(jié)論

本文提出了一種基于無人直升機的地形自適應(yīng)起降裝置的設(shè)計方法，在給出具體設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，通過Matlab仿真給出典型的不同地形條件下的著陸情況，可得到如下結(jié)論：

（1）對于無人直升機，可采用腿式起降裝置完成地形自適應(yīng)著陸，連桿機構(gòu)和驅(qū)動關(guān)節(jié)的構(gòu)型設(shè)計可用于起降裝置。

（2）通過控制四連桿就夠的驅(qū)動桿ab和ef，或者控制足底坐標(biāo)均可完成地形自適應(yīng)著陸。

（3）對足底坐標(biāo)的直接控制有利于起降裝置的著陸控制效果，減少運動過程中的振蕩情況。

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作者簡介

任佳（1990-）女，碩士，工程師。主要研究方向：控制系統(tǒng)與優(yōu)化、沖擊動力學(xué)試驗與分析。

Tel：029-88268285E-mail：renjiabest@163.com

王計真（1987-）男，碩士，工程師。主要研究方向：沖擊動力學(xué)。

Tel：13087501018

E-mail：wangjizhen623@163.com

劉小川（1983-）男，博士，研究員。主要研究方向：沖擊動力學(xué)。

Tel：029-88268663

E-mail：asri02@163.com

Landing Design and Control Simulation in Complex Terrain Conditions

Ren Jia*，Wang Jizhen，Liu Xiaochuan

Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structures Impact Dynamics，Aircraft Strength Research Institute of China，Xian 710065，China

Abstract： In order to solve the problem that aircraft cannot land under complicated terrains， researches on the design and control methods of landing devices are proposed. A six-legged structure is designed and a method of landing on complex terrain is proposed in this paper， and the software of Matlab is used to simulate the landing performance and control method. The results show that the device can effectively meet the landing requirements under complex terrain condition. Then landing control can be realized by controlling the drive bar angle and foot coordinates， but effect of controlling the foot coordinates is better.

Key Words： device of landing and take-off； complex terrain； landing design； control