六足仿生机器人地形自适应步态规划研究

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 多足机器人步态规划
1.2.2 地形适应技术
1.3 关键技术挑战
1.4 本文主要贡献

第2章 机器人系统建模

2.1 机械结构参数

% 机器人参数配置
robotParams = struct(...
    'bodyLength', 0.5, ...  % 机身长度(m)
    'legSegments', [0.1, 0.15, 0.2],... % 三段式腿部长度
    'DOF_perLeg', 3,...      % 单腿自由度
    'maxStride', 0.3,...    % 最大步幅
    'servoRange', [-pi/2, pi/2]); % 舵机运动范围

2.2 运动学模型
2.2.1 DH参数建模
2.2.2 正逆运动学推导

第3章 地形感知与建模

3.1 多传感器数据融合

classdef TerrainSensor < handle
    properties
        depthData    % 深度传感器矩阵
        imuData      % 姿态传感器数据
    end
    methods
        function obj = processTerrain(obj, rawDepth)
            % 实施高斯滤波和法向量计算
            obj.depthData = imgaussfilt3(rawDepth);
        end
    end
end

3.2 三维地形特征提取
3.3 足端可接触性分析

第4章 自适应步态生成算法

4.1 基础步态库构建
4.1.1 三角步态生成

function [gaitSequence] = generateTripodGait(cycleTime, stepHeight)
    % 生成相位调节参数
    phaseOffset = [0, 0.5, 0, 0.5, 0, 0.5]; 
    % 实现贝塞尔曲线足端轨迹
    t = linspace(0, cycleTime, 100);
    for legNum = 1:6
        trajectoryX = bezierCurve(t, [0, stepHeight/2, stepHeight, 0]);
        gaitSequence(legNum).traj = [trajectoryX;...]; 
    end
end

4.2 步态参数动态调整策略
4.3 基于地形特征的在线优化
4.4 稳定性判据的集成

第5章 动力学仿真与实验

5.1 MATLAB/Simulink仿真框架

% 主仿真循环
for t = 0:dt:simTime
    currentTerrain = terrainMap.getHeightmap(robotPos);
    gaitParams = adaptGait(currentTerrain, robotState);
    jointAngles = inverseKinematics(gaitParams);
  
    % 动态模型解算
    [q,dq] = ode45(@(t,y) dynamicsModel(t,y,jointAngles), [0 dt], stateVec);
    updateVisualization();
end

5.2 典型地形测试案例
5.2.1 斜坡攀爬仿真
5.2.2 非结构化地形测试
5.3 性能评估指标体系

第6章 驱动代码设计与实现

6.1 系统架构设计
![嵌入式驱动架构图]

6.2 核心模块实现

classdef LegController < matlab.System
    properties(Access = private)
        currentPose   % 当前关节角度
        targetPose    % 目标关节角度
    end
    methods(Access = protected)
        function stepImpl(obj, terrainData)
            % 实时逆解计算
            obj.targetPose = computeIK(terrainData);
            generatePWM(obj); % 生成舵机控制信号
        end
    end
end

6.3 代码优化策略
6.4 实测验证分析

驱动代码概述：

1. 硬件抽象层（HAL）

function sendJointCommands(jointAngles)
    % STM32通信协议实现
    persistent s;
    if isempty(s)
        s = serialport("COM3", 115200); 
    end
    dataPacket = typecast(single(jointAngles), 'uint8');
    write(s, dataPacket, 'uint8');
end

2. 运动控制内核

function [trajectory] = adaptiveGaitPlanner(terrainMap, currentPose)
    % 混合整数规划求解最优步态参数
    options = optimoptions('intlinprog','Display','final');
    [optParams,~] = intlinprog(costFunc, constrFunc, terrainMap, [], options);
    trajectory = generateMotionPrimitive(optParams);
end

3. 地形处理模块

function footHoldMap = findOptimalContact(terrainData)
    % 卷积神经网络足点检测
    net = load('terrainCNN.mat');
    footHoldMap = predict(net, terrainData); 
    footHoldMap = nonMaximumSuppression(footHoldMap);
end

后续扩展建议：
4. 可以添加ROS集成模块
5. 强化学习训练框架
6. 动态稳定性判据优化
7. 能源效率优化算法

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