[发明专利]一种极地翼帆风力直接驱动机器人控制系统

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别是涉及一种极地翼帆风力直接驱动机器人控制系统。

背景技术

极地蕴藏着巨量的自然、科学资源。一方面，极地冰雪覆盖区作为地球系统的最大冷源，其环境要素的变化对全球气候变化起着关键作用；另一方面，极地资源的开发利用在政治、经济等方面具有无可比拟的战略意。然而，极区环境恶劣，高寒低氧、极端天气等，随时都可能威胁科考人员的生命，极大地制约着人类科学考察活动的开展，相对于1400万平方公里的南极大陆来说，科考人员的活动范围还是非常有限的，人类涉足的区域只占极小的一部分。如何在更宽广的时间、空间领域实现科学考察，已经成为迫切需要解决的技术难题。而极地探测机器人作为人的“代理”，成为解决这一技术难题的一种思路。利用极地探测机器人，突破极地环境对于科考的时空限制，降低极地科考风险，扩大作业范围，引起了技术强国的广泛关注，“机器人化”极地科考成为一个重要发展方向。怎样才能充分利用好南极丰富的风力资源，使极地探测机器人在极区环境中具有长时间、大范围探测的续航能力就是解决问题的一个重要途径。

翼帆机器人是一种通过控制翼帆攻角来获得推动力的一种新颖的移动式机器人。其拥有较好的运动自主性、姿态航向可控性和风能利用率。传统的风帆多为软式布帆，而经对比研究软式布帆和刚性翼帆，后者的空气动力性能更优，软式布帆在风比较大时更易倾翻。国内外除了对翼帆机器人机械结构的研究，其控制系统的研究也成为了关注的热点。

翼帆机器人由于较好的运动自主性和风能利用效率得到了关注。其航向与速度的强耦合，攻角、迎风角受南极自然环境里时变的风速风向、冰雪面雪波纹、风吹雪等影响，是自主控制必须克服的难点问题。机器人的安全性也是自主控制部分的重要研究内容，包括：避障避危、抗倾翻等。然而，目前翼帆机器人控制系统在航向姿态控制和防倾翻等方面存在不足。

发明内容

本发明的目的在于针对以上问题，提出一种极地翼帆风力直接驱动机器人控制系统，能满足在极地复杂多变的气候条件下控制机器人实现长时间长距离的基地探测要求。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

 轨迹规划器的作用是根据科考任务设计出探测机器人的目标轨迹指令，并把该指令传送给导航控制单元。导航控制单元根据目标轨迹、GPS提供的轨迹反馈和激光测距机反馈的障碍信息、探地雷达反馈的冰裂缝信息，给出探测机器人的目标航向指令，并把指令传送给航向控制单元，由航向驱动器调整探测机器人的航向。

针对翼帆攻角、迎风角受南极自然环境里时变的风速风向、冰雪面雪波纹、风吹雪等影响，为简化控制，拟采用以下控制策略：巡航时，由翼帆控制单元根据风速风向仪反馈的风速风向信息、姿态参考系统（IMU）反馈探测机器人姿态信息、编码器反馈翼帆位置信息，自动保持恒定攻角，航向控制单元单独控制航向，使之保持在期望的目标航向。

在南极环境里，障碍物、冰缝都是探测机器人的安全威胁，机载激光测距机、探地雷达等传感器检测到危险后，航向控制子系统应及时改变航向，翼帆控制单元调节攻角、控制速    度，避开障碍或危险。

对于抗倾翻问题，当风速风向变化较小时，将风速风向仪的实测值进行一定周期（在试验中找到合适值）的平滑滤波，再反馈给翼帆控制单元，实现稳定控制；如果风速过大，极易导致倾翻，应立即采取安全保护策略，使对称式翼帆的攻角为0，将翼帆迎风面减至最小，避免倾翻危险。

    根据上述发明构思，本发明采用下属技术方案：

一种极地翼帆风力直接驱动机器人控制系统，包括轨迹规划系统，导航控制系统，避障避危系统和微处理器；所述的轨迹规划系统分别与导航控制系统和微处理器连接，根据科考任务对整个翼帆机器人的目标轨迹路径进行规划；所述的避障避危系统分别与导航控制系统和微处理器连接，通过传感器元件探测实时的路况，反馈给翼帆机器人进行避障避危；导航控制系统分别与轨迹规划系统，避障避危系统，GPS单元和微处理器连接，并分别通过电机和舵机控制翼帆机器人的翼帆单元和航向控制单元。

优选地，所述的轨迹规划系统，是根据科考任务设计出探测机器人的目标轨迹指令，并把该指令传送给导航控制单元。

优选地，所述的避障避危系统包括激光测距机和探地雷达，其中激光测距机和探地雷达都与微处理器连接，进行实时的信息交互控制反馈。