一种零输入载人月球车主动悬架及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种零输入载人月球车主动悬架及其控制方法。该零输入载人月球主动悬架在传统主动悬架基础上增加了主动控制系统，所述主动控制系统包括滚珠丝杠托架、两个滑轨、滚珠丝杠螺母、滚珠丝杠杆和电机；同时通过判断主动控制系统所处状态并更新相应状态下主动控制系统的存储能量来实现该载人月球车无需额外外部输入能量，解决载人月球车对能源利用率要求高以及整车平顺性好的需求。
【专利说明】一种零输入载人月球车主动悬架及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于载人月球车控制领域，更具体地说为一种载人月球车主动悬架及其控 制方法。
【背景技术】
[0002] 悬架系统作为载人月球车移动系统的重要组成部分，必须具有良好的平顺性，良 好的适应地形能力以及越障能力。其性能直接影响着月球探测车移动系统的通过性能、平 稳性能、工作效能及可靠性。因此悬架机构设计成为月球探测车研究的热点问题之一。迄 今为止，俄、美、欧、日等国已经研制出各种类型的悬架机构，均在一定程度上提高了月球探 测车的移动性能。但目前登月的载人月球车均是被动悬架，从登月宇航员登月反馈情况可 知，由于月球车引力是地球的1/6及月面道路条件恶劣，宇航员感受乘坐舒适性非常差，另 外月球车的平顺性差对精密的探测仪器测量及其使用寿命有非常大的影响。
[0003] -般的主动悬架虽可根据行驶状态和路面状况实时的输出主动控制力以获得更 好的行驶平顺性，但其需要在悬架中加装外界动力源和主动作动输出装置造成悬架结构复 杂且消耗大量的外部能量。半主动悬架是将被动悬架中阻尼值不变的减震器改造成为阻尼 值实时可调的阻尼元件，但其阻尼元件消耗能量且性能较主动悬架差。在当前登月活动所 携带的能源十分有限，即使可利用太阳能但大部分能量需要保障载人月球车各系统部件的 正常工作，使用有限能量实现更多功能对于载人月球车具有重大的意义。基于此应用背景 可知以上各种悬架很难满足载人月球车的高性能要求。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种可以克服现有载人月球车悬架平顺性能较差缺陷的零输入载 人月球车主动悬架。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明一种零输入载人月球车主动悬架，包括下摆臂、上摆 臂、两个阻尼弹簧减震器、两个摆杆、第一连接件和第二连接件，所述第一连接件用于连接 主动悬架与车轮，所述第二连接件用于连接主动悬架与车架，其中，所述上摆臂的一端与第 一连接件活动连接，另一端分别与两个摆杆的一端活动连接，且上摆臂运动时牵引两个摆 杆同步运动；所述下摆臂的一端与第一连接件活动连接，另一端与第二连接件活动连接，
[0006] 还包括主动控制系统，所述主动控制系统包括滚珠丝杠托架、两个滑轨、滚珠丝杠 螺母、滚珠丝杠杆和电机，两个滑轨平行固定于第二连接件上且两个滑轨上对称设置固定 基座；
[0007] 滚珠丝杠托架的两端分别设置在两根滑轨上并能够沿滑轨滑动，滚珠丝杠托架的 中部固连滚珠丝杠螺母的上端，滚珠丝杠螺母的下端与滚珠丝杠杆的上端相连，滚珠丝杠 杆的下端与电机的转轴相连，电机设置于车架上，所述电机为储能电机；
[0008] 两个阻尼弹簧减震器的一端分别与两个摆杆的一端活动连接，另一端分别与两个 固定基座活动连接；两个摆杆的另一端分别与滚珠丝杠托架的两端活动连接。
[0009] 进一步地优选方案，本发明零输入载人月球车主动悬架中，所述上摆臂的形状为Η 型，其中，Η型上摆臂的两个纵臂中部向下延伸方向对称设有支点，两个支点均铰接在第二 连接件的顶端作为一对活动支点，Η型上摆臂的两个纵臂的一端均与第一连接件相铰接，另 一端分别与两个摆杆的一端相铰接；
[0010] 进一步地优选方案，本发明零输入载人月球车主动悬架中，所述下摆臂为Η型下 摆臂。
[0011] 进一步地优选方案，本发明零输入载人月球车主动悬架中，滚珠丝杠托架为"几" 字形托架。
[0012] 进一步地优选方案，本发明零输入载人月球车主动悬架中，所述活动连接均采用 铰链方式连接。
[0013] 进一步地优选方案，本发明零输入载人月球车主动悬架中，两个滑轨的下端对称 设置固定基座。
[0014] 同时为了克服主动悬架需要额外外部输入能量的缺陷，实现主动悬架零输入控 制，本发明还提供了一种载人月球车主动悬架控制方法。
[0015] 一种载人月球车主动悬架控制方法，具体包括以下步骤：
[0016] 步骤1、使用天棚阻尼控制法则确定理想主动控制输入力
【权利要求】
1. 一种零输入载人月球车主动悬架，包括下摆臂、上摆臂、两个阻尼弹簧减震器、两个 摆杆、第一连接件和第二连接件，所述第一连接件用于连接主动悬架与车轮，所述第二连接 件用于连接主动悬架与车架，其中，所述上摆臂的一端与第一连接件活动连接，另一端分别 与两个摆杆的一端活动连接，且上摆臂运动时牵引两个摆杆同步运动；所述下摆臂的一端 与第一连接件活动连接，另一端与第二连接件活动连接，其特征在于，还包括主动控制系 统，所述主动控制系统包括滚珠丝杠托架、两个滑轨、滚珠丝杠螺母、滚珠丝杠杆和电机，两 个滑轨平行固定于第二连接件上且两个滑轨上对称设置固定基座； 滚珠丝杠托架的两端分别设置在两根滑轨上并能够沿滑轨滑动，滚珠丝杠托架的中部 固连滚珠丝杠螺母的上端，滚珠丝杠螺母的下端与滚珠丝杠杆的上端相连，滚珠丝杠杆的 下端与电机的转轴相连，电机设置于车架上，所述电机为储能电机； 两个阻尼弹簧减震器的一端分别与两个摆杆的一端活动连接，另一端分别与两个固定 基座活动连接；两个摆杆的另一端分别与滚珠丝杠托架的两端活动连接。
2. 根据权利要求1所述的零输入载人月球车主动悬架，其特征在于，所述上摆臂的形 状为Η型，其中，Η型上摆臂的两个纵臂中部向下延伸方向对称设有支点，两个支点均铰接 在第二连接件的顶端作为一对活动支点，Η型上摆臂的两个纵臂的一端均与第一连接件相 铰接，另一端分别与两个摆杆的一端相铰接。
3. 根据权利要求1所述的零输入载人月球车主动悬架，其特征在于，所述下摆臂为Η型 下摆臂。
4. 根据权利要求1所述的零输入载人月球车主动悬架，其特征在于，滚珠丝杠托架为 "几"字形托架。
5. 根据权利要求1所述的零输入载人月球车主动悬架，其特征在于，所述活动连接均 采用铰链方式连接。
6. 根据权利要求1所述的零输入载人月球车主动悬架，其特征在于，两个滑轨的下端 对称设置固定基座。
7. -种权利要求1-6中任意一项所述零输入载人月球车主动悬架的控制方法，其特征 在于，具体包括以下步骤： 步骤1、使用天棚阻尼控制法则确定理想主动控制输入力为天 棚阻尼系数，4为阻尼弹簧减震器两端之间的相对运动速度；
步骤2 :利用步骤1中获得的理想主动控制输入力/^\计算电机理想输出扭矩Tdes和 理想输出电流Ides ;
式中，为滚珠丝杠杆的导程常数，kt为电机的扭矩常数； 步骤3 :利用步骤2中获得的电机理想输出电流Ides，计算出电流误差Λ I，Λ I = Ides-I 然后计算出电机两端理想作用电压Vdes ;
式中，KP为比例常数，&为积分常数，/为积分符号，dt为积分步长，I为电机实时输出 电流； 步骤4 :通过电机理想输出电流Ides与电机两端理想作用电压Vdes计算出主动控制系统 理想瞬时输出功率Pdes，Pdes = Vdes · Ides ; 步骤5、根据主动控制系统理想瞬时输出功率Pdes符号来判断主动控制系统所处状态 并更新相应状态下主动控制系统的存储能量； 若Pdes>〇则判定主动控制系统为存储能量状态，将电机两端端电压V设定为理想作用 电压Vdes，更新主动控制系统的存储能量，将瞬时能量Es加上系统原剩余能量作为主动控制 系统新的存储能量，其中，E s = V · I · ΛΤ，ΛΤ为主动控制系统更新一次的时间步长，执行 步骤6 ; 若Pdes〈〇则判定主动控制系统为输出能量状态，此时，判断当前主动控制系统存储能量 是否大于允许输出能量的预设下阈值Emin，如果大于预设下阈值Emin则允许主动控制系统输 出能量，将电机系统两端端电压V设定为理想电压V des，更新主动控制系统的存储能量，将 瞬时能量ES加上系统原剩余能量作为主动控制系统新的存储能量，其中，E s = V · I · ΛΤ， ΛΤ为主动控制系统更新一次的时间步长，执行步骤6 ;否则将电机两端端电压V设定为零， 主动控制系统存储能量不变，执行步骤6 ; 步骤6 :实时跟踪零输入载人月球车主动悬架的运动，重复循环执行步骤1-5,实现悬 架零输入主动控制的功能。
8.根据权利要求7所述控制方法，其特征在于，步骤1中天棚阻尼系数ksky为以主动控 制系统存储能量E为函数的表达式，该表达式具有二阶光滑特性；
Eth为系统存储能量的预设上阈值，δ为最大天棚阻尼系数； 利用下式联立求解出天棚阻尼系数ksky表达式中的ai，a2, a3, a4, a5, a6六个系数
【文档编号】B60G17/015GK104097481SQ201410324414
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】江星星, 李舜酩, 张晓露, 周东旺, 程春 申请人:南京航空航天大学