[发明专利]一种用于控制动量驱动机器人的智能跳跃方法

说明书

本发明公开的一种用于控制动量驱动机器人的智能跳跃方法，属于深空探测机器人控制领域。本发明利用机器人的动量轮刹车机构设计起跳过程，分为试跳、腾空、加速起跳和飞行四个阶段使动量驱动机器人完成跳跃，结合上述四个阶段的特征使动量驱动机器人的起跳过程清晰便于控制，提高落地点的精度；建立该动量驱动机器人在弱引力场环境下跳跃行为动力学模型；利用机器学习算法，找到环境参数与试跳阶段结束时运动参数之间的关系，在环境参数已知的情况下利用机器学习算法建立跳跃力矩参数和跳跃轨迹参数之间的关系，使动量驱动机器人具有感知外部环境参数并适应复杂环境的能力，基于环境参数设计跳跃参数规划动量轮转速使跳跃距离、腾空高度可控。

技术领域

本发明涉及一种动量驱动机器人及其智能跳跃方法，属于深空探测机器人控制领域。

背景技术

从1958年美国和苏联启动探月计划开始，世界各发达国家和航天技术大国都先后开展了多种类型的深空探测活动。近年来，面对小行星表面着陆探测面临的星体尺寸小、引力环境弱和地形地貌复杂等困难，小型动量驱动机器人因其体积小、结构简单、部署灵活，能以跳跃的方式进行再部署等优势而备受关注。虽然JAXA的小行星跳跃式探测器MINERVA成功着陆并完成了跳跃再部署，但该探测器仍无法实现对跳跃距离和腾空时间的控制，也无法实现跳跃过程的姿态控制，这导致了探测过程具有随机性、拍照成像质量低等问题。目前对动量驱动机器人的跳跃距离、腾空高度的智能规划和控制、起跳过程等问题都没有成熟的研究，在复杂环境或环境条件未知的情况下的环境参数辨识和机器人运动控制的研究也具有一定的困难。

发明内容

本发明公开的一种用于控制动量驱动机器人的智能跳跃方法要解决的技术问题是：通过对动量驱动机器人的跳跃距离、腾空高度的智能规划和控制、起跳过程的深入分析，并使用机器学习算法建立环境参数和动量驱动机器人运动之间的关系，使动量驱动机器人具有感知外部环境参数并适应复杂环境的能力，并基于环境参数设计跳跃参数规划动量轮转速使跳跃距离、腾空高度可控。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明公开的一种用于控制动量驱动机器人的智能跳跃方法，所述动量驱动机器人为球台形对称结构的动量驱动机器人，利用动量驱动机器人的动量轮刹车机构设计起跳过程，分为试跳、腾空、加速起跳和飞行四个阶段使动量驱动机器人完成跳跃；建立该动量驱动机器人在弱引力场环境下跳跃行为动力学模型；在该动力学模型下，利用机器学习算法，找到环境参数与试跳阶段结束时运动参数之间的关系，在环境参数已知的情况下利用机器学习算法建立跳跃力矩参数和跳跃轨迹参数之间的关系，使动量驱动机器人具有感知外部环境参数并适应复杂环境的能力，并基于环境参数设计跳跃参数规划动量轮转速使跳跃距离、腾空高度可控。

本发明公开的一种用于控制动量驱动机器人的智能跳跃方法，所述动量驱动机器人为球台形对称结构的动量驱动机器人，在所述动量驱动机器人本体四周分布有触角，所述触角末端使用柔性部件以缓冲跳跃、碰撞过程中小行星表面对本体结构的振动冲击；本体内部布置有动量轮，所述动量轮作为机器人的驱动系统的，通过电机控制动量轮产生跳跃过程、姿态控制过程中所需要的控制力矩。

本发明公开的一种用于控制动量驱动机器人的智能跳跃方法，包括如下步骤：

步骤一、在弱引力场环境下，当动量轮完成减速刹车操作后，由于动量交换的作用动量驱动机器人将会有向前翻滚运动的趋势，进而使动量驱动机器人具备完成跳跃的条件。利用自身的动量轮刹车机构设计起跳策略：所述起跳策略将起跳过程分为试跳、腾空、加速起跳和飞行四个阶段；动量轮缓慢提速储存动量，当倾斜角小于或等于起跳角时是试跳阶段；离开地面后，当倾斜角大于起跳角小于等于腾空角时是腾空阶段，倾斜角最终控制在腾空角附近；接着动量驱动机器人下落，当动量驱动机器人达到施加最大力矩的高度时是加速起跳阶段；完成起跳后进入飞行阶段。