四轮独立驱动巡视器运动控制系统.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN105775168A(43)申请公布日2016.07.20(21)申请号201610189120.X(22)申请日2016.03.29(71)申请人北京工业大学地址100124北京市朝阳区平乐园100号(72)发明人许红霞张亚琦杨惠强(74)专利代理机构北京思海天达知识产权代理有限公司11203代理人沈波(51)Int.Cl.B64G1/16(2006.01)B64G1/24(2006.01)权利要求书3页说明书5页附图4页(54)发明名称四轮独立驱动巡视器运动控制系统(57)摘要本发明公开了四轮独立驱动巡视器运动控制系统，属于机械机构设计及自动控制领域。该系统要适应复杂多变的地形环境，驱动性能和可靠性要高，使之能够保证巡视器车厢内仪器平稳的完成探测任务。本发明系统包含上位机和下位机，上位机为PC机，下位机为工控机PC104，上位机采用无线方式与下位机通信。巡视器车轮内有一个驱动电机和一个转向电机，可以使巡视器以任意半径转向。两电机都位于车轮内部，防止沙尘进入，提高了电机的寿命和稳定性。选用嵌入式实时系统VxWorks和现场总线CAN总线分别作为控制系统和通信总线来提高系统实时性和通信效率。CN105775168ACN105775168A权利要求书1/3页1.四轮独立驱动巡视器运动控制系统，其特征在于：该系统为一种基于VxWorks系统和CAN总线技术的四轮独立驱动巡视器运动控制系统；该控制系统主要包括机械设计部分、控制核心模块、驱动电机控制模块、转向电机控制模块、通信模块以及各种辅助支撑模块；每个模块都包括硬件和软件两部分；硬件为系统工作提供实体基础，软件为系统提供各种算法控制；机械设计部分包括：巡视器车厢(1)、车轮(2)、摇臂(3)、转向机构(4)、铰链(5)、摇臂与车体的连接装置(6)；其中，车厢(1)是巡视器搭载探测仪器设备的主要场所，其通过车体的连接装置(6)和摇臂(3)与巡视器固定在一起，形成一个完整的整体结构；车轮(2)与转向机构(4)相连，转向机构(4)的一端与车轮(2)相连接，另一端通过铰链(5)连接在摇臂(3)上，形成悬架—转向机构，使巡视器车体更好的适应地形的变化；摇臂(3)的前端通过摇臂与车体的连接装置(6)与巡视器车厢(1)相连，摇臂(3)的后端通过铰链(5)连接一个转向机构(4)；车轮(2)包含轮体(201)、轮毂(202)、减速机构(203)、制动器(204)、驱动电机(205)、方向电机(206)、与摇臂相连的法兰(207)、电机套法兰盘(208)；驱动电机(205)通过轮毂(202)连接到轮体(201)，实现车轮(2)的前向驱动；轮毂(202)用于连接车轮(2)的轮圈，通过轮毂(202)的转动带动整个车轮(2)的转动；电机套法兰盘(208)和与摇臂相连的法兰(207)相啮合，从而将车轮(2)固定在摇臂(3)上，进而起到将车轮(2)与摇臂(3)之间的整体连接作用；方向电机(206)安装在车轮内部并与电机套法兰盘(208)相连接，方向电机206的转动从而实现轮体(201)的转向；驱动电机(205)通过制动器(204)与减速机构(203)相连；驱动电机(205)控制车轮(2)的转速，实现巡视器的前进和后退，方向电机(206)控制巡视器车轮的转向角度，进而控制巡视器的运动的方向；制动器(204)用于驱动轮的制动；减速机构(203)用于降低电机输出轴的转速，同时提高输出扭矩；通过方向电机(206)的转向来实现整车的转向功能；通过摇臂(3)的控制实现整车的重心调整，维持车体的平衡，保证车厢(1)内探测仪器的正常工作；四个车轮都是独立驱动和转向的，以保证巡视器以任意角度转弯包括原地360度旋转；摇臂(3)的作用是提高了巡视器地面的适应能力和越障能力，当巡视器前轮越障时，通过摇臂调整车体重心，使前轮爬升；同理，当后轮越障时，通过摇臂调节使后轮爬升；在崎岖路面上，摇臂(3)能够自动调节车体重心，保持车体平稳；当车体以一定的水平速度与障碍接触时，摇臂在车体主动力T及摇臂杆支撑反力Fs′的共同作用下产生响应，摇臂机构末端作用点O在一定的时间内累积起足够的水平方向的位移，从而产生在竖直方向的耦合运动，提升车轮跨越障碍；车体运行速度和车轮角速度作为重要的外部激励，其数值的增大可以使摇臂机构在更短的时间内积累起水平方向所需要的位移，提高巡视器的越障能力，但速度过快的情况下会造成由碰撞引起的反弹，影响巡视器的越障，故需要控制车体运动速度在一定合理范围内；所述驱动电机(205)和方向电机(206)均采用高精度无刷直流电机，实现精确的角度和速度控制；控制核心模块采用上下位机结构；上位机是PC机，装有集成开发环境Tornado完成控制命令的输入和更改