CN103318167B - 智能气垫转运车及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能气垫转运车及其控制方法，智能气垫转运车包括有车架，安装于车架上的车载控制系统，安装于车架上且分别与车载控制系统连接的电源系统、气垫充放气单元、驱动行走单元、导航定位单元和高度传感器，以及与车载控制系统连接的远程主控制器。本发明的远程主控制器可直接远程操控智能气垫转运车；导航定位单元可对车身位置和车身周围信息进行采集，实现远程操控管理；高度传感器用于实时检测车身相对于地面的高度，使远程主控制器可根据车身高度信息控制气垫充放气单元实现车身起伏高度的调节，达到控制车身姿态的目的。本发明提升了气垫车智能化程度，提高了气垫车的作业能力，解决了现有气垫车导航功能差，远程控制欠缺的问题。

Description

智能气垫转运车及其控制方法

技术领域

本发明涉及气垫车领域，具体是一种智能气垫转运车及其控制方法。

背景技术

轮式、导轨式、履带式运输车是目前搬运的主要方式，如汽车、火车、拖拉机，现有大部分的运输工具通常以车轮或履带与地面或导轨接触，出现的问题是振动大、噪声大、车轮损耗大等，在特殊环境和作业要求下，有其局限性。随着现代科技的不断发展，气垫车的出现给出了新的运输手段，气垫车是利用气体层流效应托举载荷，实现大吨位负载的运输。

目前，涉及气垫车的专利主要有：ZL201010242011.2中公开了“一种气垫悬浮运输车自动调平控制装置”，该装置中在不同高度位置分别设置高位光电开关和低位光电开关，用于检测气垫的膨胀量是否达到所设置的上限和下限，并根据此结果来控制气压驱动装置中相关调节阀组，实现调平功能。但由于设置的高度传感器为光电开关，因此它对于气垫的悬浮状态调整精度不高，不能实时检测和调整智能气垫转运车的高度，响应速度也不够理想，而且功耗损失较大。

ZL201010109077.4（内藏式气垫车）中通过合理安排气垫围裙的压力，使车辆的大部分载荷由气垫围裙来承担，载重能力因气垫围裙而得以提高。但是，该智能气垫转运车仍然不具有自主导航、自主适应作业环境的能力，智能化程度低，功耗也较大。

ZL201210251308.4（一种用于气垫车的驱动装置及其应用）中针对智能气垫转运车驱动，提出一种十字布置结构，安装四套行走机构，实现较大负载、较高精度的驱动。该专利的目的在于提高气垫转运车的驱动精度，不涉及智能化的遥操作。

在目前技术条件下，要求气垫车在遥操控及智能控制方式下进行精细搬运重载设备则显得不足。

根据实际应用需要，考察气垫车的主要指标有三个：一是承载能力，二是操控的灵活性，三是定位的精准性和平稳性。

目前气垫转运车大多较为简单，主要存在以下技术问题，1.控制方式较为单一，智能化程度低，一般是遥控或手动牵引，无自主导航和自主避障功能；2.定位和重复定位精度低，尤其是在遥操控下的精确定位，难以满足精准对接等特殊作业任务的要求，如转运车与托卡马克密封室对接。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本专利提出的一种智能气垫转运车及其控制方法，旨在满足特殊作业要求，胜任遥操控、自主导航、精确定位等复杂作业的要求，解决现有气垫车导航功能差，远程控制欠缺的问题。

本发明的技术方案为：

智能气垫转运车，包括有用于安装车身的车架，安装于车架上的车载控制系统，安装于车架上且分别与车载控制系统连接的电源系统、气垫充放气单元和驱动行走单元，安装于车架上且与车载控制系统连接的导航定位单元和高度传感器，以及与车载控制系统连接的远程主控制器；所述的导航定位单元包括有安装于车架上与车载控制系统连接的数据采集控制器，以及设置于车架的车身四周且分别与数据采集控制器连接的激光测距仪、GPS导航模块和避障传感器；

所述的驱动行走单元包括有前驱动轮升降单元、后驱动轮升降单元、前驱动轮转向单元和后驱动轮转向单元；所述的前驱动轮升降单元和后驱动轮升降单元均是由与第二进气管连接的伺服比例阀和与伺服比例阀出气端连接的下压气囊组成，且伺服比例阀与车载控制系统连接；所述的前驱动轮转向单元和后驱动轮转向单元均包括有与第二进气管连接的开关阀，两个与开关阀出气端连接的比例流量阀，与两个比例流量阀出气端连接用于驱动轮转向的气动马达，两个与气动马达出气端连接的分气阀，其进气端与两个分气阀出气端连接的换向阀，与换向阀其中一出气端连接的单向调速阀，以及与换向阀另一出气端和单向调速阀出气端连接的空气滤清器；所述的开关阀、两个比例流量阀、两个分气阀、换向阀、单向调速阀均与车载控制系统连接。

所述的智能气垫转运车还包括气管卷盘单元，所述的气管卷盘单元包括有气管卷盘、与车载控制系统连接的气管收放控制装置和用于气管定位的管路导向装置。

所述的车载控制系统包括有可编程逻辑控制器,以及分别与可编程逻辑控制器连接的显示屏、存储器和下位无线通信模块；所述的远程主控制器上连接有与下位无线通信模块配合通信的上位无线通信模块；所述的数据采集控制器通过通信串口模块与车载控制系统连接。

所述的气垫充放气单元包括有四个分别设置于车架拐角处的气垫、通过进气阀与四个气垫进气口连接的第一进气管、连接于气垫和进气阀之间且与车载控制系统连接的充放气控制单元；所述的充放气控制单元包括有四组相互连接的比例减压阀和换向阀，且比例减压阀均与进气阀连接，换向阀与对应的气垫连接，比例减压阀和换向阀均与车载控制系统连接；且所述的高度传感器为四个，且分别位于车架四角。

智能气垫转运车的控制方法，具体包括有三种控制模式:

（1）、全自动控制模式：远程主控制器首先将任务和路径规划发送至车载控制系统，车载控制系统根据相应的任务和路径规划信息控制气垫充放气单元实现自动充气、驱动行走单元自动启动行走和气垫充放气单元自动放气的操作；

（2）、半自动半遥控控制模式：远程主控制器首先将气垫充放气单元控制信息发送至车载控制系统，车载控制系统控制气垫充放气单元实现自动充气的操作；然后人为操作远程主控制器，远程主控制器根据GPS导航模块采集的坐标信息实时将相应的路径信息和行走方向信息传输给车载控制系统，车载控制系统控制驱动行走单元实现行走直至到达目的地，最后气垫充放气单元实现自动放气操作；

（3）、全遥控控制模式：人为操作远程主控制器，远程主控制器首先将气垫充放气单元控制信息发送至车载控制系统，车载控制系统控制气垫充放气单元实现充气的操作，充气完成后，继续人为操作远程主控制器，远程主控制器根据GPS导航模块采集的坐标信息实时将相应的路径信息和行走方向信息传输给车载控制系统，车载控制系统控制驱动行走单元实现行走直至到达目的地，最后远程主控制器通过车载控制系统控制气垫充放气单元实现放气操作。

所述的控制模式（1）和（2）中，自动充气的操作通过高度传感器的实时反馈实现自动停止控制，即一旦高度传感器采集的高度信息与远程主控制器发送给车载控制系统的高度标准一致，停止充气，未达到高度标准继续充气；所述的控制模式（3）中，高度传感器实时采集智能气垫转运车的高度信息，然后通过车载控制系统的无线模块传输给远程控制器，远程控制器根据高度信息控制气垫充放气单元继续充气、停止充气、继续放气和停止放气的操作，以调整气垫车姿态。

述的控制模式（1）和（2）中，驱动行走单元行走时，车载控制系统根据激光测距仪和避障传感器的采集测量周围环境信息，实现自动避让行走；所述的控制模式（3）中，驱动行走单元行走时，车载控制系统根据激光测距仪和避障传感器的采集测量周围环境信息，然后通过车载控制系统传输给远程控制器，远程控制器根据周围环境信息控制驱动行走单元行走。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

（1）、本发明设置有远程主控制器，可直接将控制命令传输给每个智能气垫转运车的车载控制器，即采用上、下位机控制方式，实现远程控制运输，同时可远程控制智能气垫转运车的气垫充放气单元和驱动行走单元，实现车身升降、驱动轮升降转向的远程控制，另外也可采集气垫转运车的车身情况和运输情况，判断后相应的输出命令给车载控制器实现远程控制；

（2）、本发明针对控制系统，匹配控制模式和控制方法，能够实现自主导航、半自主导航、遥控方式（遥控器和计算机控制），通过最优路径规划和多传感器信息融合，实现气垫车的避障、转向和定位控制。

（3）、本发明设置有导航定位单元，可对车身位置和车身周围信息进行采集，然后通过车载控制器传输给远程主控制器，实现远程监控管理；

（4）、本发明的气垫车车架四角设置有高度传感器，实时反馈车身相对地面的高度，远程主控制器根据车身高度信息进而控制气垫充放气单元实现车身起伏高度的调节，达到控制车身姿态的目的；

附图说明

图1是智能气垫转运车整体结构示意图。

图2是智能气垫转运车车架及各功能模块安装示意图。

图3是控制系统示意图。

图4是气垫充放气单元、驱动行走单元与空压站的气压驱动连接示意图。

图5是智能气垫转运车气垫充放气原理图

图6是控制流程示意图。

具体实施方式

见图1、图3、智能气垫转运车，包括有用于安装车身的车架9、安装于车架9上的车载控制系统1，安装于车架上且分别与车载控制系统1连接的电源系统2、气管卷盘单元3、气垫充放气单元4、驱动行走单元5、导航定位单元6和高度传感器7，以及与车载控制系统1连接的远程主控制器8；

远程主控制器8上连接有上位无线通信模块81；

见图2，车架9上设置有用于安装车载控制系统1的控制系统安放处91、用于安装电源系统2的电源安放处92、用于安装内置式气管和气管卷盘单元3的气管卷盘安放处93、用于安装气垫充放气单元各控制阀的阀组安放处94、用于安装驱动行走单元的驱动行走单元安放处95。

车载控制系统1包括有可编程逻辑控制器11,以及分别与可编程逻辑控制器11连接的显示屏12、存储器13、与上位无线通信模块81配合通信的下位无线通信模块14；

气管卷盘单元3包括有气管卷盘、与车载控制系统可编程逻辑控制器11连接的气管收放控制装置32和用于气管定位的管路导向装置；

见图5，气垫充放气单元4包括有四个分别设置于车架拐角处的气垫41、通过进气阀42与四个气垫41进气口连接的第一进气管43、连接于气垫41和进气阀42之间的充放气控制单元；充放气控制单元包括有四组相互连接的比例减压阀44和换向阀45，且比例减压阀44均与进气阀42连接，换向阀45与对应的气垫41连接，比例减压阀43和换向阀44均与车载控制系统可编程逻辑控制器11连接；第一进气管43的进气端与空压站10连接（见图4）；高度传感器7为四个，分别位于车架9的四角且与车载控制系统可编程逻辑控制器11连接；

驱动行走单元5包括有前驱动轮升降单元51、后驱动轮升降单元52、前驱动轮转向单元53和后驱动轮转向单元54；前驱动轮升降单元51和后驱动轮升降单元52均是由与第二进气管55连接的伺服比例阀56和与伺服比例阀56出气端连接的下压气囊57组成（见图4），且伺服比例阀56与车载控制系统可编程逻辑控制器11连接；前驱动轮转向单元53和后驱动轮转向单元54均包括有与第二进气管55连接的开关阀58，两个与开关阀58出气端连接的比例流量阀59，与两个比例流量阀59出气端连接用于驱动轮转向的气动马达510，两个与气动马达510出气端连接的分气阀511，其进气端与两个分气阀511出气端连接的换向阀512，与换向阀512其中一出气端连接的单向调速阀513，以及与换向阀512另一出气端和单向调速阀513出气端连接的空气滤清器514（见图4）；开关阀58、两个比例流量阀59、两个分气阀511、换向阀512、单向调速阀513均与车载控制系统可编程逻辑控制器11连接；

导航定位单元6包括有安装于车架上通过通信串口模块61与车载控制系统可编程逻辑控制器11连接的数据采集控制器62，以及设置于车身四周且分别与数据采集控制器62连接的激光测距仪63、GPS导航模块64和避障传感器65。

本发明的工作原理：

由空压站10输出来的压缩空气经第一进气管43之后，然后远程主控制器8通过可编程逻辑控制器11控制进气阀42打开，控制比例减压阀44进行调压控制，同时打开换向阀45，压缩空气经四组配置换向阀45、比例减压阀44组建的充放气控制单元对四个气垫41（见图2）分别进行充放气，以实现承载功能；在充放气的同时，位于车架四角的高度传感器7采集车架高度信息，然后通过可编程逻辑控制器11信息融合后经下位机无线通信模块14传输给远程主控制器8，然后远程主控制器8对气垫充放气单元4进行远程控制，动态调节气垫的进出口流量、压力，匹配智能气垫转运车的负载重量与功率，动态调整车身高度及姿态，实现平稳承载；

智能气垫转运车在未承载时由支撑轮承担车体自重，驱动轮则收缩于车体腹部，在气垫41承载后，远程主控制器8通过可编程逻辑控制器11对前、后驱动轮升降单元51、52的伺服比例阀56做出相应调节指令，用下压气囊57将驱动轮压下与地面接触，与地面的接触力由车体行走所需的摩擦力决定；

智能气垫转运车行驶中，前、后驱动轮转向单元53、54用于调节驱动轮转向角度；远程主控制器8通过可编程逻辑控制器11控制是否转向的开关阀58、调节气动马达510转矩的比例流量阀59、以及调节转向方向的分气阀511、调节气动马达510转速的单向调速阀513、以及快速放气的换向阀512，实现气动马达510驱动前、后驱动轮转向的功能，最后经过所有阀门的压缩空气经空气滤清器514排出；

智能气垫转运车行驶中，导航定位单元6的激光测距仪63、避障传感器65采集智能气垫转运车与周围环境中物体的距离，GPS导航模块64采集智能气垫转运车的坐标信息，然后通过可编程逻辑控制器11传输给远程主控制器8，感知作业环境信息后，远程主控制器8实现对智能气垫转运车的导航与定位功能，并实现多种传感器数据的存储，使智能气垫转运车能够优先考虑避障，自主进入避障模式，成功后再转入避障前的运动模式。

见图6，智能气垫车的控制模式及控制方法在智能气垫转运车上的应用，智能气垫转运车具备远程和自主相结合的控制方法，根据实际需要，可采用三种控制模式：全自主、半自主半遥控模式、全遥控模式，通过最优路径规划和多传感器信息融合，实现气垫车的避障、转向和定位控制。

具体操作如下：

（1）、全自动控制模式：远程主控制器首先将任务和路径规划发送至车载控制系统，车载控制系统根据相应的任务和路径规划信息首先控制气垫充放气单元实现自动充气，充气完成后，当驱动行走单元的驱动轮自动下降到一定位置，驱动行走单元沿规划路径行进，在中途遇到障碍物后，自主实现避障后再向目标靠近，直至离目标距离满足最小误差为止，然后气垫充放气单元自动放气，驱动行走单元自动行进到指定位置；

（2）、半自动半遥控控制模式：远程主控制器首先将气垫充放气单元控制信息发送至车载控制系统，车载控制系统控制气垫充放气单元实现自动充气的操作，并通过高度传感器反馈的信息自动停止充气；然后人为操作远程主控制器，远程主控制器根据GPS导航模块采集的坐标信息实时将相应的路径信息和行走方向信息传输给车载控制系统，车载控制系统控制驱动行走单元实现行走直至到达目的地，运动过程中如遇到障碍物，自动进入避障模式，成功后再转入避障前的运动模式向目标靠近，直至离目标距离满足最小误差为止，然后驱动行走单元行进到指定位置，气垫充放气单元自动放气；

（3）、全遥控控制模式：人为操作远程主控制器，远程主控制器首先将气垫充放气单元控制信息发送至车载控制系统，车载控制系统控制气垫充放气单元实现充气的操作，充气完成后，继续人为操作远程主控制器，远程主控制器根据GPS导航模块采集的坐标信息实时将相应的路径信息和行走方向信息传输给车载控制系统，远程控制器同时根据激光测距仪和避障传感器采集的周围环境信息控制驱动行走单元行走实现避让，直至到达目的地，最后远程主控制器通过车载控制系统控制气垫充放气单元实现放气操作；本控制模式中，完全由人根据传感器信息来实现智能气垫转运车的各种运动；

控制模式（1）和（2）中，自动充气的操作通过高度传感器的感应实现自动停止控制，即一旦高度传感器采集的高度信息与远程主控制器发送给车载控制系统的高度标准一致，停止充气，未达到高度标准继续充气；驱动行走单元行走时，车载控制系统根据激光测距仪和避障传感器的采集测量周围环境信息，实现自动避让行走。

上述三种控制模式，在车体上配置无线通讯模块，上、下位机之间采用TCP/IP协议进行无线通信，接收、发送控制指令；通过相关导航传感器（如激光导航传感器）实时反馈，可在遥操控模式下，控制驱动行走单元，用于控制智能气垫转运车导向。

综上所述，本专利提出的一种智能气垫转运车及其控制方法，作为一种特种搬运移动平台，配备了感知作业环境和动态反馈操控的激光测距、高度检测以及姿态检测等传感器，具备高刚度车架结构、高响应气压浮动装置、高精度驱动行走和精确定位，具备自主导航、遥操作、车身姿态自适应调整等特征，是一种新型智能化的搬运平台，达到自主搬运特殊设备的目的，特别适用于不易灵活移动的重型负载，以及不能承受振动，对平稳性、精准定位等作业要求的大型精密设备或器材的搬运。

Claims (7)

1.智能气垫转运车，包括有用于安装车身的车架，安装于车架上的车载控制系统，安装于车架上且分别与车载控制系统连接的电源系统、气垫充放气单元和驱动行走单元；其特征在于：所述的智能气垫转运车还包括有安装于车架上且与车载控制系统连接的导航定位单元和高度传感器，以及与车载控制系统连接的远程主控制器；所述的导航定位单元包括有安装于车架上与车载控制系统连接的数据采集控制器，以及设置于车架的车身四周且分别与数据采集控制器连接的激光测距仪、GPS导航模块和避障传感器；

所述的驱动行走单元包括有前驱动轮升降单元、后驱动轮升降单元、前驱动轮转向单元和后驱动轮转向单元；所述的前驱动轮升降单元和后驱动轮升降单元均是由与第二进气管连接的伺服比例阀和与伺服比例阀出气端连接的下压气囊组成，且伺服比例阀与车载控制系统连接；所述的前驱动轮转向单元和后驱动轮转向单元均包括有与第二进气管连接的开关阀，两个与开关阀出气端连接的比例流量阀，与两个比例流量阀出气端连接用于驱动轮转向的气动马达，两个与气动马达出气端连接的分气阀，其进气端与两个分气阀出气端连接的换向阀，与换向阀其中一出气端连接的单向调速阀，以及与换向阀另一出气端和单向调速阀出气端连接的空气滤清器；所述的开关阀、两个比例流量阀、两个分气阀、换向阀、单向调速阀均与车载控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的智能气垫转运车，其特征在于：所述的智能气垫转运车还包括气管卷盘单元，所述的气管卷盘单元包括有气管卷盘、与车载控制系统连接的气管收放控制装置和用于气管定位的管路导向装置。

3.根据权利要求1所述的智能气垫转运车，其特征在于：所述的车载控制系统包括有可编程逻辑控制器,以及分别与可编程逻辑控制器连接的显示屏、存储器和下位无线通信模块；所述的远程主控制器上连接有与下位无线通信模块配合通信的上位无线通信模块；所述的数据采集控制器通过通信串口模块与车载控制系统连接。

4.根据权利要求1所述的智能气垫转运车，其特征在于：所述的气垫充放气单元包括有四个分别设置于车架拐角处的气垫、通过进气阀与四个气垫进气口连接的第一进气管、连接于气垫和进气阀之间且与车载控制系统连接的充放气控制单元；所述的充放气控制单元包括有四组相互连接的比例减压阀和换向阀，且比例减压阀均与进气阀连接，换向阀与对应的气垫连接，比例减压阀和换向阀均与车载控制系统连接；且所述的高度传感器为四个，且分别位于车架四角。

5.根据权利要求1所述的智能气垫转运车的控制方法，其特征在于：具体包括有三种控制模式:

（1）、全自动控制模式：远程主控制器首先将任务和路径规划发送至车载控制系统，车载控制系统根据相应的任务和路径规划信息控制气垫充放气单元实现自动充气、驱动行走单元自动启动行走和气垫充放气单元自动放气的操作；

（2）、半自动半遥控控制模式：远程主控制器首先将气垫充放气单元控制信息发送至车载控制系统，车载控制系统控制气垫充放气单元实现自动充气的操作；然后人为操作远程主控制器，远程主控制器根据GPS导航模块采集的坐标信息实时将相应的路径信息和行走方向信息传输给车载控制系统，车载控制系统控制驱动行走单元实现行走直至到达目的地，最后气垫充放气单元实现自动放气操作；

（3）、全遥控控制模式：人为操作远程主控制器，远程主控制器首先将气垫充放气单元控制信息发送至车载控制系统，车载控制系统控制气垫充放气单元实现充气的操作，充气完成后，继续人为操作远程主控制器，远程主控制器根据GPS导航模块采集的坐标信息实时将相应的路径信息和行走方向信息传输给车载控制系统，车载控制系统控制驱动行走单元实现行走直至到达目的地，最后远程主控制器通过车载控制系统控制气垫充放气单元实现放气操作。

6.根据权利要求5所述的智能气垫转运车的控制方法，其特征在于：所述的控制模式（1）和（2）中，自动充气的操作通过高度传感器的实时反馈实现自动停止控制，即一旦高度传感器采集的高度信息与远程主控制器发送给车载控制系统的高度标准一致，停止充气，未达到高度标准继续充气；所述的控制模式（3）中，高度传感器实时采集智能气垫转运车的高度信息，然后通过车载控制系统的无线模块传输给远程控制器，远程控制器根据高度信息控制气垫充放气单元继续充气、停止充气、继续放气和停止放气的操作，以调整气垫车姿态。

7.根据权利要求5所述的智能气垫转运车的控制方法，其特征在于：所述的控制模式（1）和（2）中，驱动行走单元行走时，车载控制系统根据激光测距仪和避障传感器的采集测量周围环境信息，实现自动避让行走；所述的控制模式（3）中，驱动行走单元行走时，车载控制系统根据激光测距仪和避障传感器的采集测量周围环境信息，然后通过车载控制系统传输给远程控制器，远程控制器根据周围环境信息控制驱动行走单元行走。