一种两栖四旋翼无人机及其爬墙控制方法

本发明涉及无人机，尤其涉及一种两栖四旋翼无人机及其爬墙控制方法。

背景技术：

1、在建筑物建成之后，无论是外墙面还是内墙面，都需要先进行抹灰施工再刷涂料或者贴瓷砖，对墙面进行抹灰既可以使墙面更加光滑，同时也可以使墙体更加坚固。但是由于某些原因，外墙面会出现裂缝或空鼓，例如地基沉降引起的墙体变形、气温变化引起的热胀冷缩等。大面积的空鼓或者结构性的裂缝会危及建筑物的安全，所以对外墙的空鼓、裂纹等进行检查是必要的。建筑物墙面复杂多样，不仅建筑物墙面在高层，而且建筑物墙面有垂直、倾斜、拱形等造型，对高处外墙的人工检查变得更加困难，且成本也较高，各种类型的爬墙无人机陆续出现。

2、目前，爬墙无人机按照驱动方式分为轮式、履带式和足式，其中轮式无人机相比其他两种，具有机动性好、移动速度快、越障能力强、结构简单、节能和控制简便的优势，进而使无人机成为无人机领域中研究的热点。现有的轮式无人机为了克服重力的影响，必须以某种方式（如真空吸附、磁吸附和仿生吸附等）吸附在外墙表面，真空吸附和仿生吸附由于需要特定的材料或装置，成本较高，而磁吸附适用于金属表面，不能用于建筑物表面。甚至为了提供吸附所需要的接触压力，有时还需要在无人机上安装平行于墙面的涵道风扇，风扇以固定频率旋转。

3、然而，由于轮式无人机在爬墙的过程中需要进行姿态切换、吸附墙面和墙面行驶，受到在墙面上的吸附力、重力、摩擦力等因素对其运动轨迹和速度产生着极大的影响，现有轮式无人机一般采用前驱动轮、后驱动轮或四旋翼方式，实现垂直和平行于前进方向的推力以及升力。然而这种方式控制比较复杂，不易操作，无法准确地从飞行状态切换为贴墙状态，无法稳定地贴合在墙面上，无法稳定地在墙面上运行，容易倾斜翻倒，从而导致无法实现精准控制无人机在建筑墙面上稳定地工作。

技术实现思路

1、针对现有技术中无法实现精准控制无人机在建筑墙面上稳定爬墙的问题，本发明提出了一种两栖四旋翼无人机及其爬墙控制方法，仅通过控制无人机的俯仰角就能够精准控制两栖四旋翼无人机稳定地在墙面上滚动运行的目的。

2、为了解决上述技术问题，本发明的实施例采用如下技术方案：

3、本发明实施例提供的一种两栖四旋翼无人机的爬墙控制方法，包括：

4、两栖四旋翼无人机包括：在机体坐标系 y轴方向上延伸的轮轴；在轮轴的两端间隔布置的一对滚轮；以及具有四个旋翼的飞行主体，飞行主体适于围绕轮轴转动以产生俯仰角 θ。

5、爬墙控制方法包括：仅通过控制飞行主体的俯仰角，就能够使得滚轮与墙面保持贴合，并且能够克服无人机的自身重力变更其在墙面上的滚动状态；其中， θ为飞行主体在机体坐标系下的俯仰角。

6、进一步地，爬墙控制方法还包括：

7、根据牛顿第二定律，建立位置动力学模型：

8、 （1）

9、是从机体坐标系转到地面坐标系的旋转矩阵，满足：

10、 （2）

11、其中， v x ，v y ，v z分别是在 x、y、z轴方向的速度向量， f是旋翼所产生推力的合力，是支持力， m是两栖四旋翼无人机的整体质量，是重力加速度，为飞行主体在机体坐标系下的翻滚角，为飞行主体在机体坐标系下的偏航角。

12、在滚轮与墙面贴合的状态下，偏航角=0，翻滚角=0，并控制，代入（2）中得：

13、 （3）

14、将公式（3）代入到公式（1）并展开后得到两栖四旋翼无人机的位置动力学模型：

15、 （4）。

16、进一步地，爬墙控制方法还包括：构建两栖四旋翼无人机的姿态动力学模型的步骤，姿态动力学模型为：

17、 （5）

18、其中， p， q，r分别是在x，y，z轴方向的角速度分量，在滚轮与墙面贴合的状态下， p= 0，r=0；是 y轴旋翼产生的转矩分量； ω是四个旋翼电机的总转速，，是四个旋翼电机的转速； i yy是在 y轴方向的转动惯量；是四个旋翼电机和螺旋桨绕机体转轴的总转动惯量。

19、进一步地，爬墙控制方法还包括：进一步构建两栖四旋翼无人机的姿态运动学模型的步骤，姿态运动学模型为：

20、 （7）。

21、其中，在滚轮与墙面贴合的状态下，偏航角 =0， z轴方向的角速度分量 r=0。

22、进一步地，爬墙控制方法还包括：进一步构建两栖四旋翼无人机的爬墙控制模型的步骤，爬墙控制模型为：

23、 （8）

24、其中，在滚轮与墙面贴合的状态下，偏航角=0，翻滚角=0，并控制，爬墙控制模型输入量为，其中与四个旋翼电机的转速关系为：

25、 （9）

26、其中，是升力系数，是旋翼电机到机体的几何中心的距离， t是矩阵的转置。

27、进一步地，滚动状态包括两栖四旋翼无人机的滚轮贴合在墙面进行上滚和下滚。

28、进一步地，通过增加四个旋翼电机的转速，翻滚角不变，调整俯仰角 θ减小，从而实现上滚；通过减少四个旋翼电机的转速，翻滚角不变，调整俯仰角 θ增大，从而实现下滚。

29、进一步地，滚轮与墙面在 x轴方向上保持贴合是依靠旋翼所产生推力的合力 f对两栖四旋翼无人机在 x轴方向上推力的分量，用于两栖四旋翼无人机能够吸附在墙面上并平稳地运行。

30、本发明实施例还提供一种两栖四旋翼无人机，两栖四旋翼无人机适于采用上述的爬墙控制方法实施爬墙运行。

31、总而言之，由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

32、本发明基于两栖四旋翼无人机，仅通过控制飞行主体的俯仰角，就能够使得滚轮与墙面保持贴合，能够克服两栖四旋翼无人机的自身重力变更其在墙面上的滚动状态，实现精准控制两栖四旋翼无人机在建筑墙面上稳定运行，不易倾翻。因此，本发明达到了精准控制两栖四旋翼无人机在建筑墙面上稳定运行的目的，有效提高了在建筑墙面上控制两栖四旋翼无人机运行的稳定性。