一種氣墊式越野機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種氣墊式越野機器人，具體涉及一種氣墊與常規(guī)行走機構(gòu)相結(jié)合的具有軟地面自主導航能力的全電動氣墊式越野機器人。它由車體、蓄電池、逆變器、風機電機、風機、風機支架、氣墊圍裙、圍裙安裝孔、氣道、增壓室、萬向輪、視覺傳感器、GPS、三維電子羅盤、超聲波傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、車載計算機、風速儀、微氣壓傳感器、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、振動傳感器、減振彈簧、懸架、驅(qū)動輪、懸架結(jié)和輪轂電機組成，這些部件分別構(gòu)成墊升系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和測控系統(tǒng)，使機器人具備了軟地面自主導航所需要的通過能力、環(huán)境識別能力和自控能力。本發(fā)明對于各種軟地面工況具有適應性和應用魯棒性。
【專利說明】一種氣墊式越野機器人
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣墊式越野機器人，具體涉及一種氣墊與常規(guī)行走機構(gòu)相結(jié)合的具有軟地面自主導航能力的全電動氣墊式越野機器人。
【背景技術(shù)】
[0002]在我國廣袤的國土上存在著大面積的沼澤、灘涂、沙漠等軟地環(huán)境。在軟地環(huán)境中遂行勘探、搜索、救援等作業(yè)任務，特別是具有危險性的任務(如軍事偵察、清除泄漏石油等)，對研發(fā)具有軟地面自主導航能力的越野機器人提出了現(xiàn)實需求。自主導航的實現(xiàn)，一方面要求機器人具有軟地面通過能力，另一方面要求它具有環(huán)境識別能力和自控能力。
[0003]軟地面通過能力主要由行走機構(gòu)實現(xiàn)。越野機器人和越野車輛通常采用車輪(一例為中國實用新型專利申請?zhí)朇N200420040969.3中所公開的四輪驅(qū)動輪式機器人移動車)或履帶(一例為中國發(fā)明專利申請?zhí)朇N200810227516.4中所公開的折疊履帶式行走裝置及車輛)作為行走機構(gòu)，包括超低壓輪胎和寬履帶等。但由于以上常規(guī)行走機構(gòu)的接地壓強固定不變，因此其對地面環(huán)境變化的適應性差。具體而言，為了使其能夠適用于軟地面，須加大車輪寬度、半徑或履帶接地面積，這會導致其在硬地面上行駛時的阻力大、經(jīng)濟性差、磨損嚴重。
[0004]將氣墊技術(shù)引入越野車輛，為改變常規(guī)行走機構(gòu)的接地壓強、提高其軟地面通過性和應用魯棒性提供了一種可行方案。氣墊式越野車利用風機在車底形成高壓氣墊，用于支撐部分車重，這部分車重可根據(jù)工況通過改變風機轉(zhuǎn)速進行主動調(diào)節(jié)。但是，無論采用機械驅(qū)動(一例為中國實用新型專利申請?zhí)朇N02276647.2中所公開的一種氣墊車)，還是電驅(qū)動(一例為中國發(fā)明專利申請?zhí)朇N201010109077.4中所公開的內(nèi)藏式氣墊車)，現(xiàn)有的氣墊式越野車技術(shù)都只針對人工控制模式，尚無針對車輛自主控制模式的實例。但如前文所述，某些惡劣工況和危險任務并不適合人的參與，因此有必要開發(fā)智能氣墊式越野車，或稱“氣墊式越野機器人”。與人工控制下的氣墊式越野車相比，氣墊式越野機器人實現(xiàn)自主導航除了要求具有軟地面通過能力，還必須具有環(huán)境識別能力和自控能力，裝備相應的傳感器、控制器和執(zhí)行器?；谝陨弦?，本發(fā)明提出一種氣墊與輪式行走機構(gòu)相結(jié)合的具有軟地面自主導航能力的全電動氣墊式越野機器人。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提出一種具有軟地面自主導航能力的氣墊式越野機器人。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:
一種氣墊式越野機器人，包括車體、蓄電池、逆變器、風機電機、風機、風機支架、氣墊圍裙、氣道、增壓室、萬向輪、視覺傳感器、GPS、三維電子羅盤、超聲波傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、車載計算機、風速儀、微氣壓傳感器、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、振動傳感器、減振彈簧、懸架、驅(qū)動輪、懸架結(jié)和輪轂電機；所述蓄電池與逆變器相連，所述逆變器與風機電機相連，所述風機電機與風機相連，所述風機通過風機支架固定在車體上，所述氣墊圍裙包圍在車體下方，所述風機將空氣通過氣道供入由車體底部、氣墊圍裙和地面圍成的增壓室，所述萬向輪與車體相連，所述視覺傳感器、GPS和三維電子羅盤安裝在車體前部正向位置，所述超聲波傳感器沿車體前部邊緣均勻布置，所述風速儀安裝在氣道入口處，所述微氣壓傳感器與車體底部相連并置于增壓室中，所述扭矩傳感器與輪轂電機相連，所述轉(zhuǎn)速傳感器與萬向輪相連，所述振動傳感器與減振彈簧相連，所述減振彈簧固定在懸架上，所述數(shù)據(jù)采集卡分別與視覺傳感器、GPS、三維電子羅盤、超聲波傳感器、風速儀、微氣壓傳感器、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、振動傳感器以及車載計算機相連，所述車載計算機分別與風機電機和輪轂電機的控制器相連，所述驅(qū)動輪通過懸架與車體相連，所述左右懸架通過懸架結(jié)連接，所述輪轂電機安裝在驅(qū)動輪輪轂上，所述輪轂電機與蓄電池相連。
[0007]所述氣墊圍裙為折角指型，每個圍裙指上與車體相連接的部分采用剛性材料制造，其上開有圍裙安裝孔，通過圍裙安裝孔將圍裙指與車體鉸接；圍裙指側(cè)面采用柔性材料制造。
[0008]所述風機電機和輪轂電機上均集成有控制器。
[0009]所述風機電機采用220v交流電機。
[0010]所述左右驅(qū)動輪沿車體縱向中軸線對稱布置。
[0011]要將機器人的行駛速度、車載計算機的處理速度以及各個傳感器的采樣速度和精度等因素綜合考慮，使其相互匹配，才能達到理想的環(huán)境識別和運行控制效果。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
第一，本發(fā)明提出的氣墊式越野機器人利用氣墊技術(shù)實現(xiàn)了行走機構(gòu)支撐功能與驅(qū)動功能的分離，具有良好的軟地面通過性。第二，它能夠根據(jù)地面情況的不同調(diào)節(jié)氣墊承重，改變行走機構(gòu)的垂向接地壓強，從而有利于改善機器人的運動學和動力學性能，提高機器人對軟地面環(huán)境的適應性和應用魯棒性。第三，它裝備了用于環(huán)境識別和運行控制的傳感器、控制器和執(zhí)行器，采用自主控制模式進行導航，無需人工操作。這不僅在惡劣工況和危險任務中有利于保護人員安全，而且有利于降低原本用于駕駛員支持系統(tǒng)的設計、制造成本。第四，它采用全電動驅(qū)動，控制方便、能源清潔、能源利用率較高。第五，它采用輪轂電機驅(qū)動和差動轉(zhuǎn)向模式，這同傳統(tǒng)的發(fā)動機-變速器-傳動系-分動器的傳動模式相比，減少了中間環(huán)節(jié)，從而有利于改善能源利用率，提高控制精度；同常規(guī)的轉(zhuǎn)向盤-轉(zhuǎn)向系-轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向模式相比，有利于減小轉(zhuǎn)向半徑，從而提高越野機器人自主導航運動的可操縱性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明實施例的側(cè)視圖。
[0014]圖2是本發(fā)明實施例的俯視圖。
[0015]圖3是本發(fā)明實施例的仰視圖。
[0016]圖4是本發(fā)明實施例的驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖5是本發(fā)明實施例的氣墊結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖6是本發(fā)明實施例的信號流圖。
【具體實施方式】[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例作詳細說明。該實施例在本發(fā)明技術(shù)方案的前提下實施，給出了具體的實施方式和工作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于該實施例。
[0020]如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，一種氣墊式越野機器人，包括車體1、蓄電池2、逆變器3、風機電機4、風機5、風機支架6、氣墊圍裙7、氣道9、增壓室10、萬向輪11、視覺傳感器12、GPS13、三維電子羅盤14、超聲波傳感器15、數(shù)據(jù)采集卡16、車載計算機17、風速儀18、微氣壓傳感器19、扭矩傳感器20、轉(zhuǎn)速傳感器21、振動傳感器22、減振彈簧23、懸架24、驅(qū)動輪25、懸架結(jié)26和輪轂電機27 ;所述蓄電池2與逆變器3相連，所述逆變器3與風機電機4相連，所述風機電機4與風機5相連，所述風機5通過風機支架6固定在車體I上，所述氣墊圍裙7包圍在車體I下方，所述風機5將空氣通過氣道9供入由車體I底部、氣墊圍裙7和地面圍成的增壓室10，所述萬向輪11與車體I相連，所述視覺傳感器12、GPS13和三維電子羅盤14安裝在車體I前部正向位置，所述超聲波傳感器15沿車體I前部邊緣均勻布置，所述風速儀18安裝在氣道9入口處，所述微氣壓傳感器19與車體I底部相連并置于增壓室10中，所述扭矩傳感器20與輪轂電機27相連，所述轉(zhuǎn)速傳感器21與萬向輪11相連，所述振動傳感器22與減振彈簧23相連，所述減振彈簧23固定在懸架24上，所述數(shù)據(jù)采集卡16分別與視覺傳感器12、GPS13、三維電子羅盤14、超聲波傳感器15、風速儀18、微氣壓傳感器19、扭矩傳感器20、轉(zhuǎn)速傳感器21、振動傳感器22以及車載計算機17相連，所述車載計算機17分別與風機電機4和輪轂電機27的控制器相連，所述驅(qū)動輪25通過懸架24與車體I相連，所述左右懸架24通過懸架結(jié)26連接，所述輪轂電機27安裝在驅(qū)動輪25輪轂上，所述輪轂電機27與蓄電池2相連。
[0021]其中，如圖1所示，風機電機4、風機5、氣墊圍裙7、氣道9、增壓室10構(gòu)成墊升系統(tǒng)。蓄電池2輸出直流電，經(jīng)逆變器3轉(zhuǎn)換為220v交流電后驅(qū)動風機電機4，從而帶動風機5的葉片旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生氣流。氣流經(jīng)氣道9進入增壓室10后生成氣墊，支撐部分車重。這部分車重與風機5的轉(zhuǎn)速正相關，即與風機電機4的電流強度正相關。因此，可以通過集成在風機電機4上的控制器改變其電流強度，從而改變氣墊承重。氣墊圍裙7的各個圍裙指彼此獨立，當單個圍裙指遇到障礙產(chǎn)生變形甚至破壞時，其相鄰圍裙指在氣墊壓力作用下膨脹、填充氣隙，從而保證了氣墊圍裙7的整體密封性能。
[0022]如圖2、圖3、圖4所示，萬向輪11、減振彈簧23、懸架24、驅(qū)動輪25、懸架結(jié)26、輪轂電機27構(gòu)成驅(qū)動系統(tǒng)。輪轂電機27由蓄電池2輸出的直流電驅(qū)動，無需中間傳動環(huán)節(jié)，直接帶動驅(qū)動輪25旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動輪25與地面相互作用，在車輪承重、轉(zhuǎn)速、土壤參數(shù)等因素的影響下，產(chǎn)生相應的滑轉(zhuǎn)率和前進速度。當左右驅(qū)動輪25的前進速度不一致時，將引起萬向輪11繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)機器人的差動轉(zhuǎn)向。顯然，總車重在氣墊承重與車輪承重之間的分配，既能夠影響墊升系統(tǒng)，也能夠影響驅(qū)動系統(tǒng)，從而構(gòu)成氣墊式越野機器人的一個關鍵控制參數(shù)。
[0023]如圖2、圖3、圖6所示，視覺傳感器12、GPS13、三維電子羅盤14、超聲波傳感器15、數(shù)據(jù)采集卡16、車載計算機17、風速儀18、微氣壓傳感器19、扭矩傳感器20、轉(zhuǎn)速傳感器21、振動傳感器22以及集成在風機電機4和輪轂電機27上的控制器構(gòu)成測控系統(tǒng)。視覺傳感器12用于檢測視場內(nèi)障礙物和目標物的運動信息以及土壤地貌信息；GPS13用于本機器人和目標物的定位，并據(jù)此在超視距范圍內(nèi)計算目標物的平均運動速度；三維電子羅盤14用于檢測本機器人的三維運動方向；超聲波傳感器15用于檢測機器人前進方向上較近距離內(nèi)的障礙物；風速儀18用于測量氣道9入口處的風速和風量，微氣壓傳感器19用于測量增壓室10內(nèi)的氣壓，兩者相比較，可建立氣道內(nèi)空氣壓強和流量的分布模型；扭矩傳感器20用于測量輪轂電機27向驅(qū)動輪25的輸出扭矩；轉(zhuǎn)速傳感器21用于測量萬向輪11的轉(zhuǎn)速，從而計算機器人的縱向運動速度；壓強傳感器用于測量驅(qū)動輪25的垂向振動情況，從而識別土壤地貌信息。以上各信號通過數(shù)據(jù)采集卡16輸入車載計算機17，用于機器人判斷當前工況，進行運動規(guī)劃和控制。車載計算機17通過向風機電機4和輪轂電機27的控制器發(fā)出控制指令，調(diào)節(jié)風機電機4和輪轂電機27的電流，進一步改變墊升系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)的其他運行參數(shù)，由此構(gòu)成閉環(huán)控制。
[0024]因此，對于氣墊式越野機器人自主導航需要解決的軟地面通過能力、環(huán)境識別能力和自控能力等問題，本發(fā)明的工作原理為，環(huán)境識別包括機器人自身位置、運動速度、運動姿態(tài)和部分關鍵參數(shù)，目標物和障礙物的位置和運動速度，以及土壤地貌信息等內(nèi)容。通過從車載傳感器信號中提取上述信息，建立土壤地貌的參數(shù)化模型，建立機器人、目標物和障礙物的運動模型，繼而進行機器人的運動規(guī)劃，計算得到墊升系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)運動參數(shù)的控制目標值，從而在控制器的作用下，實現(xiàn)機器人的閉環(huán)自主控制。在這個過程中，氣墊承重可根據(jù)機器人運行工況進行自適應調(diào)節(jié)，從而保證了機器人的軟地面通過能力對工況變化具有魯棒性。
[0025]作為優(yōu)選，采用鋰離子蓄電池。其特點在于比能量大、重量輕、可快速充放電、無記憶效應、循環(huán)壽命長。
[0026]作為優(yōu)選，采用無刷輪轂電機。其特點在于輸出扭矩大、效率高、噪音小、適合較高速度行駛、使用壽命長。
[0027]作為優(yōu)選，采用7個超聲波傳感器，分別以30度夾角沿車體縱向中軸線對稱布置。其特點在于上述夾角與常用超聲波傳感器的主瓣角相匹配，探測盲區(qū)較??；且上述布置能夠覆蓋前向180度角范圍，有利于保障機器人的避障安全性。
[0028]作為優(yōu)選，在懸架24上裝有減振彈簧23。其特點在于能夠承受重載荷和大變形量，工作平穩(wěn)，機械性能穩(wěn)定。
[0029]作為優(yōu)選，采用兩個驅(qū)動輪25，在車體I前部沿縱向中軸線對稱布置。其特點在于能夠提聞行駛穩(wěn)定性。
【權(quán)利要求】
1.一種氣墊式越野機器人，其特征在于:包括車體(I)、蓄電池(2)、逆變器(3)、風機電機(4)、風機(5)、風機支架(6)、氣墊圍裙(7)、氣道(9)、增壓室(10)、萬向輪(11)、視覺傳感器(12)、GPS (13)、三維電子羅盤(14)、超聲波傳感器(15)、數(shù)據(jù)采集卡(16)、車載計算機(17)、風速儀(18)、微氣壓傳感器(19)、扭矩傳感器(20)、轉(zhuǎn)速傳感器(21)、振動傳感器(22)、減振彈簧(23)、懸架(24)、驅(qū)動輪(25)、懸架結(jié)(26)和輪轂電機(27);所述蓄電池(2)與逆變器(3)相連，所述逆變器(3)與風機電機(4)相連，所述風機電機(4)與風機(5)相連，所述風機(5)通過風機支架(6)固定在車體(I)上，所述氣墊圍裙(7)包圍在車體(I)下方，所述風機(5)將空氣通過氣道(9)供入由車體(I)底部、氣墊圍裙(7)和地面圍成的增壓室(10)，所述萬向輪(11)與車體(I)相連，所述視覺傳感器(12)、GPS (13)和三維電子羅盤(14)安裝在車體(I)前部正向位置，所述超聲波傳感器(15)沿車體(I)前部邊緣均勻布置，所述風速儀(18)安裝在氣道(9)入口處，所述微氣壓傳感器(19)與車體(I)底部相連并置于增壓室(10)中，所述扭矩傳感器(20)與輪轂電機(27)相連，所述轉(zhuǎn)速傳感器(21)與萬向輪(11)相連，所述振動傳感器(22 )與減振彈簧(23 )相連，所述減振彈簧(23 )固定在懸架(24)上，所述數(shù)據(jù)采集卡(16)分別與視覺傳感器(12)、GPS (13)、三維電子羅盤(14)、超聲波傳感器(15)、風速儀(18)、微氣壓傳感器(19)、扭矩傳感器(20)、轉(zhuǎn)速傳感器(21)、振動傳感器(22)以及車載計算機(17)相連，所述車載計算機(17)分別與風機電機(4)和輪轂電機(27)的控制器相連，所述驅(qū)動輪(25)通過懸架(24)與車體(I)相連，所述左右懸架(24)通過懸架結(jié)(26 )連接，所述輪轂電機(27 )安裝在驅(qū)動輪(25 )輪轂上，所述輪轂電機(27)與蓄電池(2)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣墊式越野機器人，其特征在于:所述氣墊圍裙(7)為折角指型，每個圍裙指上與車體(I)相連接的部分采用剛性材料制造，其上開有圍裙安裝孔(8)，通過圍裙安裝孔(8)將圍裙指與車體(I)鉸接；圍裙指側(cè)面采用柔性材料制造。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣墊式越野機器人，其特征在于:所述風機電機(4)和輪轂電機(27)上均集成有控制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣墊式越野機器人，其特征在于:所述風機電機(4)采用220v交流電機。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣墊式越野機器人，其特征在于:所述左右驅(qū)動輪(25)沿車體(I)縱向中軸線對稱布置。
【文檔編號】B60V3/02GK103754214SQ201310537974
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】許爍, 孫晶, 顧益楠, 沈杰希, 孟子郁 申請人:上海大學