一种气垫式越野机器人的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种气垫式越野机器人，具体涉及一种气垫与常规行走机构相结合的具有软地面自主导航能力的全电动气垫式越野机器人。它由车体、蓄电池、逆变器、风机电机、风机、风机支架、气垫围裙、围裙安装孔、气道、增压室、万向轮、视觉传感器、GPS、三维电子罗盘、超声波传感器、数据采集卡、车载计算机、风速仪、微气压传感器、扭矩传感器、转速传感器、振动传感器、减振弹簧、悬架、驱动轮、悬架结和轮毂电机组成，这些部件分别构成垫升系统、驱动系统和测控系统，使机器人具备了软地面自主导航所需要的通过能力、环境识别能力和自控能力。本发明对于各种软地面工况具有适应性和应用鲁棒性。
【专利说明】一种气垫式越野机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种气垫式越野机器人，具体涉及一种气垫与常规行走机构相结合的具有软地面自主导航能力的全电动气垫式越野机器人。
【背景技术】
[0002]在我国广袤的国土上存在着大面积的沼泽、滩涂、沙漠等软地环境。在软地环境中遂行勘探、搜索、救援等作业任务，特别是具有危险性的任务(如军事侦察、清除泄漏石油等)，对研发具有软地面自主导航能力的越野机器人提出了现实需求。自主导航的实现，一方面要求机器人具有软地面通过能力，另一方面要求它具有环境识别能力和自控能力。
[0003]软地面通过能力主要由行走机构实现。越野机器人和越野车辆通常采用车轮(一例为中国实用新型专利申请号CN200420040969.3中所公开的四轮驱动轮式机器人移动车)或履带(一例为中国发明专利申请号CN200810227516.4中所公开的折叠履带式行走装置及车辆)作为行走机构，包括超低压轮胎和宽履带等。但由于以上常规行走机构的接地压强固定不变，因此其对地面环境变化的适应性差。具体而言，为了使其能够适用于软地面，须加大车轮宽度、半径或履带接地面积，这会导致其在硬地面上行驶时的阻力大、经济性差、磨损严重。
[0004]将气垫技术引入越野车辆，为改变常规行走机构的接地压强、提高其软地面通过性和应用鲁棒性提供了一种可行方案。气垫式越野车利用风机在车底形成高压气垫，用于支撑部分车重，这部分车重可根据工况通过改变风机转速进行主动调节。但是，无论采用机械驱动(一例为中国实用新型专利申请号CN02276647.2中所公开的一种气垫车)，还是电驱动(一例为中国发明专利申请号CN201010109077.4中所公开的内藏式气垫车)，现有的气垫式越野车技术都只针对人工控制模式，尚无针对车辆自主控制模式的实例。但如前文所述，某些恶劣工况和危险任务并不适合人的参与，因此有必要开发智能气垫式越野车，或称“气垫式越野机器人”。与人工控制下的气垫式越野车相比，气垫式越野机器人实现自主导航除了要求具有软地面通过能力，还必须具有环境识别能力和自控能力，装备相应的传感器、控制器和执行器。基于以上要求，本发明提出一种气垫与轮式行走机构相结合的具有软地面自主导航能力的全电动气垫式越野机器人。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提出一种具有软地面自主导航能力的气垫式越野机器人。
[0006]为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案:
一种气垫式越野机器人，包括车体、蓄电池、逆变器、风机电机、风机、风机支架、气垫围裙、气道、增压室、万向轮、视觉传感器、GPS、三维电子罗盘、超声波传感器、数据采集卡、车载计算机、风速仪、微气压传感器、扭矩传感器、转速传感器、振动传感器、减振弹簧、悬架、驱动轮、悬架结和轮毂电机；所述蓄电池与逆变器相连，所述逆变器与风机电机相连，所述风机电机与风机相连，所述风机通过风机支架固定在车体上，所述气垫围裙包围在车体下方，所述风机将空气通过气道供入由车体底部、气垫围裙和地面围成的增压室，所述万向轮与车体相连，所述视觉传感器、GPS和三维电子罗盘安装在车体前部正向位置，所述超声波传感器沿车体前部边缘均匀布置，所述风速仪安装在气道入口处，所述微气压传感器与车体底部相连并置于增压室中，所述扭矩传感器与轮毂电机相连，所述转速传感器与万向轮相连，所述振动传感器与减振弹簧相连，所述减振弹簧固定在悬架上，所述数据采集卡分别与视觉传感器、GPS、三维电子罗盘、超声波传感器、风速仪、微气压传感器、扭矩传感器、转速传感器、振动传感器以及车载计算机相连，所述车载计算机分别与风机电机和轮毂电机的控制器相连，所述驱动轮通过悬架与车体相连，所述左右悬架通过悬架结连接，所述轮毂电机安装在驱动轮轮毂上，所述轮毂电机与蓄电池相连。
[0007]所述气垫围裙为折角指型，每个围裙指上与车体相连接的部分采用刚性材料制造，其上开有围裙安装孔，通过围裙安装孔将围裙指与车体铰接；围裙指侧面采用柔性材料制造。
[0008]所述风机电机和轮毂电机上均集成有控制器。
[0009]所述风机电机采用220v交流电机。
[0010]所述左右驱动轮沿车体纵向中轴线对称布置。
[0011]要将机器人的行驶速度、车载计算机的处理速度以及各个传感器的采样速度和精度等因素综合考虑，使其相互匹配，才能达到理想的环境识别和运行控制效果。
[0012]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
第一，本发明提出的气垫式越野机器人利用气垫技术实现了行走机构支撑功能与驱动功能的分离，具有良好的软地面通过性。第二，它能够根据地面情况的不同调节气垫承重，改变行走机构的垂向接地压强，从而有利于改善机器人的运动学和动力学性能，提高机器人对软地面环境的适应性和应用鲁棒性。第三，它装备了用于环境识别和运行控制的传感器、控制器和执行器，采用自主控制模式进行导航，无需人工操作。这不仅在恶劣工况和危险任务中有利于保护人员安全，而且有利于降低原本用于驾驶员支持系统的设计、制造成本。第四，它采用全电动驱动，控制方便、能源清洁、能源利用率较高。第五，它采用轮毂电机驱动和差动转向模式，这同传统的发动机-变速器-传动系-分动器的传动模式相比，减少了中间环节，从而有利于改善能源利用率，提高控制精度；同常规的转向盘-转向系-转向轮的转向模式相比，有利于减小转向半径，从而提高越野机器人自主导航运动的可操纵性。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明实施例的侧视图。
[0014]图2是本发明实施例的俯视图。
[0015]图3是本发明实施例的仰视图。
[0016]图4是本发明实施例的驱动轮结构图。
[0017]图5是本发明实施例的气垫结构图。
[0018]图6是本发明实施例的信号流图。
【具体实施方式】[0019]下面结合附图对本发明的一个优选实施例作详细说明。该实施例在本发明技术方案的前提下实施，给出了具体的实施方式和工作过程，但本发明的保护范围不限于该实施例。
[0020]如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种气垫式越野机器人，包括车体1、蓄电池2、逆变器3、风机电机4、风机5、风机支架6、气垫围裙7、气道9、增压室10、万向轮11、视觉传感器12、GPS13、三维电子罗盘14、超声波传感器15、数据采集卡16、车载计算机17、风速仪18、微气压传感器19、扭矩传感器20、转速传感器21、振动传感器22、减振弹簧23、悬架24、驱动轮25、悬架结26和轮毂电机27 ;所述蓄电池2与逆变器3相连，所述逆变器3与风机电机4相连，所述风机电机4与风机5相连，所述风机5通过风机支架6固定在车体I上，所述气垫围裙7包围在车体I下方，所述风机5将空气通过气道9供入由车体I底部、气垫围裙7和地面围成的增压室10，所述万向轮11与车体I相连，所述视觉传感器12、GPS13和三维电子罗盘14安装在车体I前部正向位置，所述超声波传感器15沿车体I前部边缘均匀布置，所述风速仪18安装在气道9入口处，所述微气压传感器19与车体I底部相连并置于增压室10中，所述扭矩传感器20与轮毂电机27相连，所述转速传感器21与万向轮11相连，所述振动传感器22与减振弹簧23相连，所述减振弹簧23固定在悬架24上，所述数据采集卡16分别与视觉传感器12、GPS13、三维电子罗盘14、超声波传感器15、风速仪18、微气压传感器19、扭矩传感器20、转速传感器21、振动传感器22以及车载计算机17相连，所述车载计算机17分别与风机电机4和轮毂电机27的控制器相连，所述驱动轮25通过悬架24与车体I相连，所述左右悬架24通过悬架结26连接，所述轮毂电机27安装在驱动轮25轮毂上，所述轮毂电机27与蓄电池2相连。
[0021]其中，如图1所示，风机电机4、风机5、气垫围裙7、气道9、增压室10构成垫升系统。蓄电池2输出直流电，经逆变器3转换为220v交流电后驱动风机电机4，从而带动风机5的叶片旋转，产生气流。气流经气道9进入增压室10后生成气垫，支撑部分车重。这部分车重与风机5的转速正相关，即与风机电机4的电流强度正相关。因此，可以通过集成在风机电机4上的控制器改变其电流强度，从而改变气垫承重。气垫围裙7的各个围裙指彼此独立，当单个围裙指遇到障碍产生变形甚至破坏时，其相邻围裙指在气垫压力作用下膨胀、填充气隙，从而保证了气垫围裙7的整体密封性能。
[0022]如图2、图3、图4所示，万向轮11、减振弹簧23、悬架24、驱动轮25、悬架结26、轮毂电机27构成驱动系统。轮毂电机27由蓄电池2输出的直流电驱动，无需中间传动环节，直接带动驱动轮25旋转。驱动轮25与地面相互作用，在车轮承重、转速、土壤参数等因素的影响下，产生相应的滑转率和前进速度。当左右驱动轮25的前进速度不一致时，将引起万向轮11绕垂直轴的旋转，从而实现机器人的差动转向。显然，总车重在气垫承重与车轮承重之间的分配，既能够影响垫升系统，也能够影响驱动系统，从而构成气垫式越野机器人的一个关键控制参数。
[0023]如图2、图3、图6所示，视觉传感器12、GPS13、三维电子罗盘14、超声波传感器15、数据采集卡16、车载计算机17、风速仪18、微气压传感器19、扭矩传感器20、转速传感器21、振动传感器22以及集成在风机电机4和轮毂电机27上的控制器构成测控系统。视觉传感器12用于检测视场内障碍物和目标物的运动信息以及土壤地貌信息；GPS13用于本机器人和目标物的定位，并据此在超视距范围内计算目标物的平均运动速度；三维电子罗盘14用于检测本机器人的三维运动方向；超声波传感器15用于检测机器人前进方向上较近距离内的障碍物；风速仪18用于测量气道9入口处的风速和风量，微气压传感器19用于测量增压室10内的气压，两者相比较，可建立气道内空气压强和流量的分布模型；扭矩传感器20用于测量轮毂电机27向驱动轮25的输出扭矩；转速传感器21用于测量万向轮11的转速，从而计算机器人的纵向运动速度；压强传感器用于测量驱动轮25的垂向振动情况，从而识别土壤地貌信息。以上各信号通过数据采集卡16输入车载计算机17，用于机器人判断当前工况，进行运动规划和控制。车载计算机17通过向风机电机4和轮毂电机27的控制器发出控制指令，调节风机电机4和轮毂电机27的电流，进一步改变垫升系统和驱动系统的其他运行参数，由此构成闭环控制。
[0024]因此，对于气垫式越野机器人自主导航需要解决的软地面通过能力、环境识别能力和自控能力等问题，本发明的工作原理为，环境识别包括机器人自身位置、运动速度、运动姿态和部分关键参数，目标物和障碍物的位置和运动速度，以及土壤地貌信息等内容。通过从车载传感器信号中提取上述信息，建立土壤地貌的参数化模型，建立机器人、目标物和障碍物的运动模型，继而进行机器人的运动规划，计算得到垫升系统和驱动系统运动参数的控制目标值，从而在控制器的作用下，实现机器人的闭环自主控制。在这个过程中，气垫承重可根据机器人运行工况进行自适应调节，从而保证了机器人的软地面通过能力对工况变化具有鲁棒性。
[0025]作为优选，采用锂离子蓄电池。其特点在于比能量大、重量轻、可快速充放电、无记忆效应、循环寿命长。
[0026]作为优选，采用无刷轮毂电机。其特点在于输出扭矩大、效率高、噪音小、适合较高速度行驶、使用寿命长。
[0027]作为优选，采用7个超声波传感器，分别以30度夹角沿车体纵向中轴线对称布置。其特点在于上述夹角与常用超声波传感器的主瓣角相匹配，探测盲区较小；且上述布置能够覆盖前向180度角范围，有利于保障机器人的避障安全性。
[0028]作为优选，在悬架24上装有减振弹簧23。其特点在于能够承受重载荷和大变形量，工作平稳，机械性能稳定。
[0029]作为优选，采用两个驱动轮25，在车体I前部沿纵向中轴线对称布置。其特点在于能够提闻行驶稳定性。
【权利要求】
1.一种气垫式越野机器人，其特征在于:包括车体(I)、蓄电池(2)、逆变器(3)、风机电机(4)、风机(5)、风机支架(6)、气垫围裙(7)、气道(9)、增压室(10)、万向轮(11)、视觉传感器(12)、GPS (13)、三维电子罗盘(14)、超声波传感器(15)、数据采集卡(16)、车载计算机(17)、风速仪(18)、微气压传感器(19)、扭矩传感器(20)、转速传感器(21)、振动传感器(22)、减振弹簧(23)、悬架(24)、驱动轮(25)、悬架结(26)和轮毂电机(27);所述蓄电池(2)与逆变器(3)相连，所述逆变器(3)与风机电机(4)相连，所述风机电机(4)与风机(5)相连，所述风机(5)通过风机支架(6)固定在车体(I)上，所述气垫围裙(7)包围在车体(I)下方，所述风机(5)将空气通过气道(9)供入由车体(I)底部、气垫围裙(7)和地面围成的增压室(10)，所述万向轮(11)与车体(I)相连，所述视觉传感器(12)、GPS (13)和三维电子罗盘(14)安装在车体(I)前部正向位置，所述超声波传感器(15)沿车体(I)前部边缘均匀布置，所述风速仪(18)安装在气道(9)入口处，所述微气压传感器(19)与车体(I)底部相连并置于增压室(10)中，所述扭矩传感器(20)与轮毂电机(27)相连，所述转速传感器(21)与万向轮(11)相连，所述振动传感器(22 )与减振弹簧(23 )相连，所述减振弹簧(23 )固定在悬架(24)上，所述数据采集卡(16)分别与视觉传感器(12)、GPS (13)、三维电子罗盘(14)、超声波传感器(15)、风速仪(18)、微气压传感器(19)、扭矩传感器(20)、转速传感器(21)、振动传感器(22)以及车载计算机(17)相连，所述车载计算机(17)分别与风机电机(4)和轮毂电机(27)的控制器相连，所述驱动轮(25)通过悬架(24)与车体(I)相连，所述左右悬架(24)通过悬架结(26 )连接，所述轮毂电机(27 )安装在驱动轮(25 )轮毂上，所述轮毂电机(27)与蓄电池(2)相连。
2.根据权利要求1所述的气垫式越野机器人，其特征在于:所述气垫围裙(7)为折角指型，每个围裙指上与车体(I)相连接的部分采用刚性材料制造，其上开有围裙安装孔(8)，通过围裙安装孔(8)将围裙指与车体(I)铰接；围裙指侧面采用柔性材料制造。
3.根据权利要求1所述的气垫式越野机器人，其特征在于:所述风机电机(4)和轮毂电机(27)上均集成有控制器。
4.根据权利要求1所述的气垫式越野机器人，其特征在于:所述风机电机(4)采用220v交流电机。
5.根据权利要求1所述的气垫式越野机器人，其特征在于:所述左右驱动轮(25)沿车体(I)纵向中轴线对称布置。
【文档编号】B60V3/02GK103754214SQ201310537974
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年11月5日 优先权日:2013年11月5日
【发明者】许烁, 孙晶, 顾益楠, 沈杰希, 孟子郁 申请人:上海大学