[发明专利]四轮独立驱动巡视器运动控制系统

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。

主权项

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，下位机包含主处理器模块、无线通信模块、运动控制器和编码器组成；其中，主处理器模块为中央控制单元，其功能是根据不同状况发送任务，与运动控制模块、上位PC机通信，接收上位PC机的指令并执行，分析编码器获得的车轮信息，并将整理后获得的数据发送到上位PC机；无线通信模块采用基于TCP/IP协议的以太网技术传输数据信息，是上位机和下位机数据通信的媒介；作用是接收上位机发送的控制信息，同时向上位机上传巡视器车轮位置、速度信息，实现上位机对于巡视器的实时操作；运动控制器包括驱动电机控制器和方向电机控制器，每个车轮都有一个驱动电机控制器和一个方向电机控制器，分别控制驱动电机(205)和方向电机(206)；编码器包含在电机里，每个电机都包含一个编码器，用于检测车轮角度和速度信息；驱动电机模块和转向电机模块；电机模块采用的直流无刷电机，控制巡视器的运动；电机控制器选用与选用电机配套的控制器，控制器带有CAN接口，可以直接挂载在CAN总线网络中；电机模块都安装在车轮内部，避免沙尘进入影响电机的性能和寿命；通信模块；为提高巡视器实时性和通信效率，采用嵌入式实时系统VxWorks系统作为巡视器的控制系统，工控机PC104作为系统的处理器，现场总线CAN总线作为整个系统的通信总线；整个系统结构简单紧凑，控制方便；嵌入式实时系统VxWorks系统可以有效的提高系统的实时性，保证巡视器运行稳定；CAN总线具有极高的可靠性、实时性和灵活性，可以满足巡视器各个机构之间的数据通信并保证通信质量，布线简单仅有两根线，带有CAN接口的电机直接挂载在CAN总线上就可以了；为匹配阻抗，在CAN总线两端分别加载120欧的电阻，CAN总线的最高通信速率可达1Mbps；辅助支撑模块泛指对巡视器自身的运动没有直接影响，但为了保证系统的可靠性以及增强系统功能而设计的附加模块，包括巡视器故障诊断模块，LCD数据显示模块和调试辅助模块。