CN103332188A - 一种iter环境下的气垫车智能控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及ITER环境下的气垫车智能控制系统，包括主控制器及其外围模块，主控制器的输出端分别与驱动轮收放模块、举升模块、气动马达驱动模块的输入端相连，主控制器的输入输出端与预警存储模块的输入输出端相连，主控制器的输入端分别与多传感器测量模块、路径规划与导航定位传感模块的输出端相连，主控制器的输入输出端与上位机控制模块无线通讯。本发明还公开了上述系统的控制方法。本发明采用激光测高传感器组实时反馈气垫车的充、放气高度，测量精度高，实现了气垫车同时等高的智能升降；采用第一、二高度传感器实时反馈驱动轮下放的高度，实现了驱动轮安全无超调下压；实现了气垫车自主避障功能。

Description

一种ITER环境下的气垫车智能控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及特殊环境下机器人控制领域，尤其是一种ITER环境下的气垫车智能控制系统及其控制方法。

背景技术

国际热核实验反应堆（简称ITER） 是目前核聚变领域内全球规模最大、影响最深远的大科学工程项目，主要目标是建造一个可自持燃烧的托卡马克聚变实验堆，验证和平利用核聚变能的可行性。ITER 装置真空室在进行等离子体放电的时候，内部部件会被辐射污染，有些部件或者直接具有辐射功能（例如燃料棒）。因此，在安装与转运这些部件的过程中，为防止上述辐射危害操作人员的健康，操作人员无法置身于这种环境当中。基于上述原因，对真空室内部部件进行托运、装配以及维护等操作的时候，需要借助一种具有承载大吨位、定位精度高、安全性能好的搬运车来协助完成。 

目前搬运车的主要有三种运行方式：轮式、履带式和气垫式。其中轮式运行方式控制比较灵活，行进速度较快，但对于承载大吨位的负载具有一定的局限性；履带运行方式也是一种较为成熟的行进方式，已被广泛用于大型收割机、军事车辆等，但其存在着机动性较差、结构复杂、重量较重的缺点；气垫车运行方式和前面两种运行方式相比较，是一种新型的运行方式，它的运行原理是在车底形成一层高压气垫，支撑全部或部分车重，由独立的风机推进装置或地面行走机构提供驱动力，实现了支撑和驱动功能的分离，具有摩擦系数小，承载吨位大、全方位移动性能好等优点，是解决在核环境下内部部件装配、维护以及搬运比较好的运载方式。目前气垫车的控制主要有手动牵引或遥控两种方式，人为参与程度比较大，存在导航定位精度差，控制精度低等智能化水平低的问题，难以满足像核环境下精准导航定位、窗口对接等特殊作业任务的要求。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种导航定位精度高、避障功能强、智能化水平高的ITER环境下的气垫车智能控制系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种ITER环境下的气垫车智能控制系统，包括主控制器及其外围模块，主控制器的输出端分别与驱动轮收放模块、举升模块、气动马达驱动模块的输入端相连，主控制器的输入输出端与预警存储模块的输入输出端相连，主控制器的输入端分别与多传感器测量模块、路径规划与导航定位传感模块的输出端相连，主控制器的输入输出端与上位机控制模块无线通讯。

所述外围模块由模拟量输入模块、模拟量输出模块、驱动模块、视觉采集模块和无线传输模块组成，主控制器通过模拟量输入模块分别与路径规划与导航定位传感模块、多传感器测量模块的输出端相连，主控制器通过模拟量输出模块分别与驱动轮收放模块、举升模块、气动马达驱动模块的输入端相连，主控制器通过驱动模块与预警存储模块的输入输出端相连，主控制器通过视觉采集模块与路径规划与导航定位传感模块的输出端相连，主控制器通过无线传输模块与上位机控制器模块无线通讯。

所述多传感器测量模块由激光测高传感器组、地面平整度测量传感器组和姿态传感器组组成，激光测高传感器组、地面平整度测量传感器组和姿态传感器组的输出端与主控制器的模拟量输入模块相连；所述路径规划与导航定位传感模块由激光测距传感器组、电磁传感器组、红外传感器组和视觉传感器组组成，激光测距传感器组、电磁传感器组、红外传感器组均与主控制器的模拟量输入模块相连，视觉传感器组与主控制器的视觉采集模块相连。

所述上位机控制模块由无线传输单元、上位机和预警单元组成，上位机依次通过无线传输单元与主控制器的无线传输模块无线通讯；所述驱动轮收放模块包括气动马达，气动马达上安装第一高度传感器，第一高度传感器与主控制器的模拟量输入模块相连；所述举升模块包括气垫，气垫上安装第二高度传感器，第二高度传感器与主控制器的模拟量输入模块相连。

本发明还公开了一种ITER环境下的气垫车智能控制系统的控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）主控制器通过模拟量输出模块输出四路相同的电压至举升模块，控制四路气流比例调压阀，通过气垫的充放气实现气垫车同时等高的智能升降；

（2）主控制器通过模拟量输出模块输出两路相同的电压来控制驱动轮收放模块中的气流比例调压阀来实现驱动轮的下压；

（3）主控制器根据目标位置信息进行路径规划，控制气垫车进入行进模式或者拐弯模式或者平移模式，在当气垫车遇到障碍物后，自动避开障碍物；

（4）主控制器根据地面平整度测量传感器和姿态传感器冗余测量的地面平整信息，控制气垫车对行驶路径的选择； 

（5）主控制器通过无线传输模块接收上位机发出的命令，并把气垫车当前的信息发送至上位机。

在对气垫自动充放气时，首先主控制器输出四路相同的电压来控制举升模块中的四路气流比例调压阀实现气垫的充、放气；其次在充、放气的过程中，多传感器测量模块中的激光测高传感器组实时测量每个气垫的高度并通过模拟量输入模块反馈到主控制器中，当气垫充、放气高度不同时，主控制器通过修正输出模拟电压的大小来调节各气流比例调压阀的大小，直至激光测高传感器组反馈的气垫高度相同时才停止修正输出模拟电压，实现气垫车同时等高的智能升降。

在对驱动轮进行自动收放时，首先主控制器通过模拟量输出模块输出两路相同的电压来控制驱动轮收放模块中气流比例调压阀的大小来实现驱动轮的下压；其次主控制器通过采集驱动轮收放模块中的第一高度传感器实时反馈下压的高度信息，并与多传感器测量模块的激光测高传感器组采集的高度信息对比，当反馈的高度信息与激光测距传感器组测量的高度信息差值在3～5mm范围内时，减小输出模拟电压来实现驱动轮下压过程的减缓。

在进行路径规划与导航定位时，首先，路径规划与导航定位传感模块中的视觉传感器组测量障碍物的轮廓信息，激光测距传感器组和红外传感器组测量障碍物距离气垫车的距离信息后，分别通过视觉采集模块和模拟量输入模块反馈给主控制器，主控制器依据获取信息重新进行路径规划并通过模拟量输出模块控制气动马达驱动模块中的气动马达左转或右转、左平移或者右平移，前进或者后退运动，自主避开障碍物。

所述举升模块中第二高度传感器为用于限制气垫车充气的最低高度和最高高度的位置开关，在气垫车低于最低高度或者高于最高高度时，主控制器发出警报并且通过模拟量输出模块自主打开气流比例调压阀实现充、放气。

所述路径规划与导航定位传感模块中的电磁传感器组与掩埋在地下的电磁线圈共同组成了气垫车的导航定位传感器，电磁传感器组感应电磁线圈的信息并通过模拟量输入模块反馈给主控制器，主控制器依据获取的信息，通过模拟量输出模块控制气动马达驱动模块中的气动马达微调左转或右转，完成精准导航定位。

由上述技术方案可知，本发明采用激光测高传感器组实时反馈气垫车的充、放气高度，测量精度高，实现了气垫车同时等高的智能升降，避免出现局部倾斜现象；采用第一、二高度传感器实时反馈驱动轮下放的高度，实现了驱动轮安全无超调下压；采用激光测距传感器组、红外传感器组、视觉传感器组以及电磁传感器组，实现了气垫车自主避障功能，减少了人为参与的程度，大大提高了导航定位精度和控制精度；采用地面平整度测量传感器组和姿态传感器组，实现了气垫车行驶路径的选择，提高了气垫车行驶的稳定性和安全性。

 

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明中举升模块对气垫自动充、放气的工作流程图；

图3是本发明中驱动轮收放模块的控制驱动轮自动收放的工作流程图；

图4是本发明中路径规划与导航定位的工作流程图。

具体实施方式

一种ITER环境下的气垫车智能控制系统，包括主控制器1及其外围模块，主控制器1的输出端分别与驱动轮收放模块8、举升模块2、气动马达驱动模块3的输入端相连，主控制器1的输入输出端与预警存储模块4的输入输出端相连，主控制器1的输入端分别与多传感器测量模块5、路径规划与导航定位传感模块6的输出端相连，主控制器1的输入输出端与上位机控制模块7无线通讯，如图1所示。

如图1所示，所述外围模块由模拟量输入模块、模拟量输出模块、驱动模块、视觉采集模块和无线传输模块组成，主控制器1通过模拟量输入模块分别与路径规划与导航定位传感模块6、多传感器测量模块5的输出端相连，主控制器1通过模拟量输出模块分别与驱动轮收放模块8、举升模块2、气动马达驱动模块3的输入端相连，主控制器1通过驱动模块与预警存储模块4的输入输出端相连，主控制器1通过视觉采集模块与路径规划与导航定位传感模块6的输出端相连，主控制器1通过无线传输模块与上位机控制器模块无线通讯。

如图1所示，所述多传感器测量模块5由激光测高传感器组、地面平整度测量传感器组和姿态传感器组组成，激光测高传感器组、地面平整度测量传感器组和姿态传感器组的输出端与主控制器1的模拟量输入模块相连；所述路径规划与导航定位传感模块6由激光测距传感器组、电磁传感器组、红外传感器组和视觉传感器组组成，激光测距传感器组、电磁传感器组、红外传感器组均与主控制器1的模拟量输入模块相连，视觉传感器组与主控制器1的视觉采集模块相连。

如图1所示，所述上位机控制模块7由无线传输单元、上位机和预警单元组成，上位机依次通过无线传输单元与主控制器1的无线传输模块无线通讯；所述驱动轮收放模块8包括气动马达，气动马达上安装第一高度传感器，第一高度传感器与主控制器1的模拟量输入模块相连；所述举升模块2包括气垫，气垫上安装第二高度传感器，第二高度传感器与主控制器1的模拟量输入模块相连。

本系统的控制方法包括下列顺序的步骤：（1）主控制器1通过模拟量输出模块输出四路相同的电压至举升模块2，控制四路气流比例调压阀，通过气垫的充放气实现气垫车同时等高的智能升降；（2）主控制器1通过模拟量输出模块输出两路相同的电压来控制驱动轮收放模块8中的气流比例调压阀来实现驱动轮的下压；（3）主控制器1根据目标位置信息进行路径规划，控制气垫车进入行进模式或者拐弯模式或者平移模式，在当气垫车遇到障碍物后，自动避开障碍物；（4）主控制器根据地面平整度测量传感器和姿态传感器冗余测量的地面平整信息，控制气垫车对行驶路径的选择；（5）主控制器1通过无线传输模块接收上位机发出的命令，并把气垫车当前的信息发送至上位机。

如图2所示，在对气垫自动充放气时，首先主控制器1输出四路相同的电压来控制举升模块2中的四路气流比例调压阀实现气垫的充、放气；其次在充、放气的过程中，多传感器测量模块5中的激光测高传感器组实时测量每个气垫的高度并通过模拟量输入模块反馈到主控制器1中，当气垫充、放气高度不同时，主控制器1通过修正输出模拟电压的大小来调节各气流比例调压阀的大小，直至激光测高传感器组反馈的气垫高度相同时才停止修正输出模拟电压，实现气垫车同时等高的智能升降。所述举升模块2中第二高度传感器为用于限制气垫车充气的最低高度和最高高度的位置开关，在气垫车低于最低高度或者高于最高高度时，主控制器1发出警报并且通过模拟量输出模块自主打开气流比例调压阀实现充、放气，达到气垫保压的目的，提高气垫车的安全性能。

如图3所示，在对驱动轮进行自动收放时，首先主控制器1通过模拟量输出模块输出两路相同的电压来控制驱动轮收放模块8中气流比例调压阀的大小来实现驱动轮的下压；其次主控制器1通过采集驱动轮收放模块8中的第一高度传感器实时反馈下压的高度信息，并与多传感器测量模块5的激光测高传感器组采集的高度信息对比，当反馈的高度信息与激光测距传感器组测量的高度信息差值在3～5mm范围内时，减小输出模拟电压来实现驱动轮下压过程的减缓，避免了驱动轮动态过度下压，从而实现驱动轮安全无超调下压的智能化。

如图4所示，在进行路径规划与导航定位时，首先，路径规划与导航定位传感模块6中的视觉传感器组测量障碍物的轮廓信息，激光测距传感器组和红外传感器组测量障碍物距离气垫车的距离信息后，分别通过视觉采集模块和模拟量输入模块反馈给主控制器1，主控制器1依据获取信息重新进行路径规划并通过模拟量输出模块控制气动马达驱动模块3中的气动马达左转或右转、左平移或者右平移，前进或者后退运动，实现自主避开障碍物的功能，达到路径优化的目的。所述路径规划与导航定位传感模块6中的电磁传感器组与掩埋在地下的电磁线圈共同组成了气垫车的导航定位传感器，电磁传感器组感应电磁线圈的信息并通过模拟量输入模块反馈给主控制器1，主控制器1依据获取的信息，通过模拟量输出模块控制气动马达驱动模块3中的气动马达微调左转或右转，完成精准导航定位，为实现后续窗口对接任务提供了条件。

如图1所示，本发明采用多传感器测量模块5中的地面平整度测量传感器组和姿态传感器组来确定地面的平整程度，在对路面平整度进行测量时，首先，地面平整度测量传感器组测量地面平整度信息，姿态传感器组测量气垫车姿态信息；其次，比较地面平整度测量传感器组和姿态传感器组测量的信息变化程度，当测量得出的地面平整度信息和气垫车姿态信息同时变化时，表示气垫车本身存在振动或颠簸，地面平整度测量传感器组测量的信息无法作为地面是否平整的依据，需气垫车平稳后再次测量；当姿态传感器组测量信息无变化，地面平整度测量传感器组测量信息有变化时，表示地面非平整地面，不适合气垫车通过，气垫车行驶路径则避开该区域，避免出现泄气引起车体倾斜发生事故，从而实现了气垫车的安全智能行驶。气垫车在发生倾斜、电池电量不足、行驶过程中遇到障碍物等危险重要信息除了自身具有灯光、声音报警以及故障存储功能外，还能通过无线传输模块将这些信息发送给上位机，实现双重报警功能，避免危险情况发生。

综上所述，本发明采用激光测高传感器组实时反馈气垫车的充、放气高度，测量精度高，实现了气垫车同时等高的智能升降，避免出现局部倾斜现象；采用第一、二高度传感器实时反馈驱动轮下放的高度，实现了驱动轮安全无超调下压；采用激光测距传感器组、红外传感器组、视觉传感器组以及电磁传感器组，实现了气垫车自主避障功能，减少了人为参与的程度，大大提高了导航定位精度和控制精度；采用地面平整度测量传感器组和姿态传感器组，实现了气垫车行驶路径的选择，提高了气垫车行驶的稳定性和安全性。

Claims (10)

1.一种ITER环境下的气垫车智能控制系统，包括主控制器及其外围模块，主控制器的输出端分别与驱动轮收放模块、举升模块、气动马达驱动模块的输入端相连，主控制器的输入输出端与预警存储模块的输入输出端相连，其特征在于：主控制器的输入端分别与多传感器测量模块、路径规划与导航定位传感模块的输出端相连，主控制器的输入输出端与上位机控制模块无线通讯。

2.根据权利要求1所述的ITER环境下的气垫车智能控制系统，其特征在于：所述外围模块由模拟量输入模块、模拟量输出模块、驱动模块、视觉采集模块和无线传输模块组成，主控制器通过模拟量输入模块分别与路径规划与导航定位传感模块、多传感器测量模块的输出端相连，主控制器通过模拟量输出模块分别与驱动轮收放模块、举升模块、气动马达驱动模块的输入端相连，主控制器通过驱动模块与预警存储模块的输入输出端相连，主控制器通过视觉采集模块与路径规划与导航定位传感模块的输出端相连，主控制器通过无线传输模块与上位机控制器模块无线通讯。

3.根据权利要求2所述的ITER环境下的气垫车智能控制系统，其特征在于：所述多传感器测量模块由激光测高传感器组、地面平整度测量传感器组和姿态传感器组组成，激光测高传感器组、地面平整度测量传感器组和姿态传感器组的输出端与主控制器的模拟量输入模块相连；所述路径规划与导航定位传感模块由激光测距传感器组、电磁传感器组、红外传感器组和视觉传感器组组成，激光测距传感器组、电磁传感器组、红外传感器组均与主控制器的模拟量输入模块相连，视觉传感器组与主控制器的视觉采集模块相连。

4.根据权利要求2所述的ITER环境下的气垫车智能控制系统，其特征在于：所述上位机控制模块由无线传输单元、上位机和预警单元组成，上位机依次通过无线传输单元与主控制器的无线传输模块无线通讯；所述驱动轮收放模块包括气动马达，气动马达上安装第一高度传感器，第一高度传感器与主控制器的模拟量输入模块相连；所述举升模块包括气垫，气垫上安装第二高度传感器，第二高度传感器与主控制器的模拟量输入模块相连。

5.根据权利要求1至4中任一项所述ITER环境下的气垫车智能控制系统的控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）主控制器通过模拟量输出模块输出四路相同的电压至举升模块，控制四路气流比例调压阀，通过气垫的充放气实现气垫车同时等高的智能升降；

（2）主控制器通过模拟量输出模块输出两路相同的电压来控制驱动轮收放模块中的气流比例调压阀来实现驱动轮的下压；

（3）主控制器根据目标位置信息进行路径规划，控制气垫车进入行进模式或者拐弯模式或者平移模式，在当气垫车遇到障碍物后，自动避开障碍物；

（4）主控制器根据地面平整度测量传感器和姿态传感器冗余测量的地面平整信息，控制气垫车对行驶路径的选择； 

（5）主控制器通过无线传输模块接收上位机发出的命令，并把气垫车当前的信息发送至上位机。

6.根据权利要求5所述ITER环境下的气垫车智能控制系统的控制方法，其特征在于：在对气垫自动充放气时，首先主控制器输出四路相同的电压来控制举升模块中的四路气流比例调压阀实现气垫的充、放气；其次在充、放气的过程中，多传感器测量模块中的激光测高传感器组实时测量每个气垫的高度并通过模拟量输入模块反馈到主控制器中，当气垫充、放气高度不同时，主控制器通过修正输出模拟电压的大小来调节各气流比例调压阀的大小，直至激光测高传感器组反馈的气垫高度相同时才停止修正输出模拟电压，实现气垫车同时等高的智能升降；所述举升模块中第二高度传感器为用于限制气垫车充气的最低高度和最高高度的位置开关，在气垫车低于最低高度或者高于最高高度时，主控制器发出警报并且通过模拟量输出模块自主打开气流比例调压阀实现充、放气。

7.根据权利要求5所述ITER环境下的气垫车智能控制系统的控制方法，其特征在于：在对驱动轮进行自动收放时，首先主控制器通过模拟量输出模块输出两路相同的电压来控制驱动轮收放模块中气流比例调压阀的大小来实现驱动轮的下压；其次主控制器通过采集驱动轮收放模块中的第一高度传感器实时反馈下压的高度信息，并与多传感器测量模块的激光测高传感器组采集的高度信息对比，当反馈的高度信息与激光测距传感器组测量的高度信息差值在3～5mm范围内时，减小输出模拟电压来实现驱动轮下压过程的减缓。

8.根据权利要求5所述ITER环境下的气垫车智能控制系统的控制方法，其特征在于：在进行路径规划与导航定位时，首先，路径规划与导航定位传感模块中的视觉传感器组测量障碍物的轮廓信息，激光测距传感器组和红外传感器组测量障碍物距离气垫车的距离信息后，分别通过视觉采集模块和模拟量输入模块反馈给主控制器，主控制器依据获取信息重新进行路径规划并通过模拟量输出模块控制气动马达驱动模块中的气动马达左转或右转、左平移或者右平移，前进或者后退运动，自主避开障碍物。

9.根据权利要求5所述ITER环境下的气垫车智能控制系统的控制方法，其特征在于：在对路面平整度进行测量时，首先，地面平整度测量传感器组测量地面平整度信息，姿态传感器组测量气垫车姿态信息；其次，比较地面平整度测量传感器组和姿态传感器组测量的信息变化程度，当测量得出的地面平整度信息和气垫车姿态信息同时变化时，表示气垫车本身存在振动或颠簸，地面平整度测量传感器组测量的信息无法作为地面是否平整的依据，需气垫车平稳后再次测量；当姿态传感器组测量信息无变化，地面平整度测量传感器组测量信息有变化时，表示地面非平整地面，气垫车行驶路径则避开该区域。

10.根据权利要求8所述ITER环境下的气垫车智能控制系统的控制方法，其特征在于：所述路径规划与导航定位传感模块中的电磁传感器组与掩埋在地下的电磁线圈共同组成了气垫车的导航定位传感器，电磁传感器组感应电磁线圈的信息并通过模拟量输入模块反馈给主控制器，主控制器依据获取的信息，通过模拟量输出模块控制气动马达驱动模块中的气动马达微调左转或右转，完成精准导航定位。

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