CN103481786B - 一种基于风光互补能源的极地机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于风光互补能源的极地机器人，在车身的两侧对称安装具有车轮的主动变形悬挂机构；两个主动变形悬挂机构各采用七杆结构构成；两个主动变形悬挂机构间通过从动变形悬挂机构相连；由此，可实现车身的高低调节，以及车身侧向滚转。车身上还安装有载荷设备，供电设备与控制系统。载荷设备用来实时获取外界环境信息以及极地机器人自身运动状态信息。供电设备包括风力发电机、太阳能电池板与蓄电池组；风力发电机与太阳能电池板输出的电能由蓄电池组进行储存。所述控制系统用来实现供电设备的控制以及极地机器人的移动、避障、越障控制。本发明的优点为：能够更好地适应地形，具备更好的复杂地形通过能力，可在极地环境长期执行科考任务。

Description

一种基于风光互补能源的极地机器人

技术领域

本发明涉及一种基于风光互补能源的用于极地科考的机器人，属于可再生能源应用和机器人领域。

背景技术

极地机器人是一种地面移动机器人，主要用于极地科考。1992年，美国卡耐基梅隆大学研制出Dante-I四足步行机器人,在南极对火山坑峭壁实施机器人化探测。1997年，美国卡耐基梅隆大学将其研制的Nomad用于在南极搜索陨石和冰层顶部的活微生物。2002年，意大利研制出RAS，用于在营地之间沿固定路线自主行驶。美国陆军寒冷地区研究和工程实验室与塞耶工程学院联合研制出CoolRobot用于极地科考，美国堪萨斯大学研制出Prism用于拖曳极地科考所用雷达的天线。但由于极地的冰雪面对行走机构具有严重的阻滞作用，极地机器人功耗大大增加，需要机器人携带更多能源，在很大程度上限制了机器人的移动范围和作业时长。

目前的许多极地机器人是由履带式雪上汽车、全地形车、水陆两栖全地形车甚至遥控坦克改装而来，由于极地的工况具有很多沟壑的情况，因此普遍存在能耗过高或者复杂地形通过通过能力不足的问题。

且现有极地机器人科考平台完成任务单一，且自主性较差，比如只能完成探冰雷达的扫描或者陨石搜索。

发明内容

为了解决上述问题，本发明结合南极实际的气候环境和地形特点，提出可充分利用南极独有的大风天气和极昼现象，具有极强的续航能力；同时有极强地形适应能力的极地机器人系统。且本发明极地机器人还采用模块化的设计，充分保证机器人的抗低温能力和可靠性，为其在未来的极地科学考察的应用奠定基础。

一种基于风光互补能源的极地机器人，包括车体与车体上装载的供电设备、控制系统。

所述车体包括车身、车轮、主动变形悬挂机构与从动变形悬挂机构。其中，主动变形悬挂机构具有两套，结构相同，包括横梁A、横梁B、纵梁、滑动梁A、滑动梁B与电动推杆；横梁A、横梁B与纵梁的铰接端间通过第一转轴铰接；滑动梁A、滑动梁B的铰接端分别与横梁A、横梁B通过第二转轴铰接；滑动梁A与滑动梁B的滑动端间通过第三转轴相互铰接；纵梁上沿轴向开有滑槽，第三转轴的滑动端与滑槽间滑动连接；所述电动推杆的机体端与横梁A铰接；电动推杆的伸缩端与滑动梁A滑动端铰接。上述两套主动变形悬挂机构中横梁A与横梁B的车轮安装端均安装有一个车轮，各个车轮分别通过一个驱动电机驱动运动；两套主动变形悬挂机构中的第一转轴通过连接轴与框架结构车身的左侧面和右侧面中心位置相连。所述从动变形悬挂机构包括平衡摆杆、左侧连杆、右侧连杆；其中平衡摆杆水平轴接在车体顶面前侧边中心位置上安装的摆杆支座上；平衡摆杆的左右两端分别同左侧连杆与右侧连杆一端通过关节轴承连接；左侧连杆、右侧连杆的另一端分别与车体左侧与右侧的主动变形悬挂机构中纵梁顶部铰接。上述车体上安装有载荷设备，用来实时获取外界环境信息以及极地机器人自身运动状态信息；

所述供电设备包括风力发电机、太阳能电池板与蓄电池组，均安装在车身上；风力发电机用来捕获风能并将其转换为机械能后，再转换为电能。太阳能电池板用来将光能转换为电能；蓄电池组用来将风力发电机与太阳能电池板输出的电能转化为化学能进行储存。

所述控制系统包括风光互补充放电控制电模块、管理控制模块、运动控制模块与人机交互通信模块。其中，风光互补充放电控制模块用来将风力发电机产生的三相交流电与太阳能电池板产生的直流电进行整合与直流输出，为极地机器人的载荷设备与控制系统供电；且实现对蓄电池组的充电；以及控制蓄电池组为极地机器人的载荷设备与控制系统供电。

人机交互通信模块用来采集载荷设备获取的外界环境数据信息以及极地机器人自身姿态信息传输至远程监控中心。

管理控制模块包括电源管理部分与决策控制部分。其中电源管理部分用来监测蓄电池组的工作状态信息，并根据蓄电池组的工作状态信息进行蓄电池组的充电、放电与待机操作。电源模块还实时检测控制系统工作状态信息，当检测到控制系统瘫痪后，将重新启动控制系统，实现控制系统的复位重启。决策控制部分用来接收载荷设备中获取的外界环境信息，以及极地机器人自身姿态与位置信息，向运动控制模块发送控制信号，通过运动控制模块对两个主动变形悬挂机构中电动推杆进行控制，达到控制极地机器人姿态的目的，实现极地机器人的自主越障控制；还用来对四个车轮对应的驱动电机，实现极地机器人的运动控制，实现极地机器人的自主避障控制。

本发明的优点为：

1、本发明极地机器人将风能和太阳能作为能量来源，不必预先携带油类燃料或电能，理论上具有无限的续航时间和续航距离，可以在极地环境中长期执行科考任务；

2、本发明极地机器人的能源系统是基于垂直轴风力发电机的风光互补系统提供，垂直轴风力发电机占据空间小，结构简单，效率高，启动风速低，噪声低；

3、本发明极地机器人能够根据极地天气和地形自动调节自身姿态、车体高度、行进速度、充电和能量使用策略等，并能够有效保持电池组、控制箱和传感器等的温度，有效避免被风吹倒、被雪埋或能量耗尽或因低温永久停机等情况，具有较高的自主性，能够有效规避危险；

4、本发明极地机器人能够在地面执行科考任务，搭载的多旋翼无人机能够在空中执行科考任务，极大扩展科考的维度和深度，能在很大程度上代替人类科考。车体搭载多种传感器，具有视频采集单元、环境数据监测（风速、温度、光强等）、岩石采样器和冰钻等，能完成多种地面科考任务，同时自身可携带无人机，可以自主发射和回收，用于采集大气数据和航拍等；且数据能够通过卫星传回监控中心；

5、本发明极地机器人具有专门设计的变形悬挂结构，既可利用电动推杆主动调整机器人横向滚转角度和车体高度，又可通过差动结构被动调整车体的姿态，较之现有极地机器人，能够更好地适应地形，具备更好的复杂地形通过能力。

附图说明

图1为本发明极地机器人整体结构示意图；

图2为本发明极地机器人中车体结构示意图；

图3为本发明极地机器人中主动变形悬挂机构结构示意图；

图4为本发明极地机器人中底盘上升时状态示意图；

图5为本发明极地机器人中底盘下降时状态示意图；

图6为本发明极地机器人单侧越障时状态示意图；

图7为本发明极地机器人中控制系统结构框图。

图中：

1-车体2-供电设备3-控制系统

101-车身102-车轮103-主动变形悬挂机构

104-从动变形悬挂机构103a-横梁A103b-横梁B

103c-纵梁103d-滑动梁A103e-滑动梁B

103f-电动推杆103g-滑槽104a-平衡摆杆

104b-左侧连杆104c-右侧连杆201-风力发电机

202-太阳能电池板301-风光互补充放电控制电模块

302-管理控制模块303-运动控制模块304-人机交互通信模块

302a-电源管理部分302b-决策控制部分

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明极地机器人系统，包括车体1与车体1上装载的供电设备2、控制系统3，如图1、图2所示。所述车体1又包括车身101、车轮102、主动变形悬挂机构103与从动变形悬挂机构104。

车体1中，主动变形悬挂机构103具有两套，结构相同，包括横梁A103a、横梁B103b、纵梁103c、滑动梁A103d、滑动梁B103e与电动推杆103f，如图3所示；其中，横梁A103a、横梁B103b长度相等；横梁A103a、横梁B103b与纵梁103c的铰接端间通过第一转轴铰接。滑动梁A103d与滑动梁B103e长度相等；滑动梁A103d与滑动梁B103e的铰接端分别与横梁A103a与横梁B103b通过第二转轴铰接，且滑动梁A103d、滑动梁B103e与横梁A103a、横梁B103b的铰接位置相对第一转轴轴线对称；滑动梁A103d与滑动梁B103e的滑动端间通过第三转轴相互铰接。纵梁103c上沿轴向开有滑槽103g，使第三转轴的滑动端由纵梁103c一侧伸入滑槽103g后，由纵梁103c另一侧伸出，由此使第三转轴与滑槽103g间滑动连接，可沿滑槽103g移动；且通过在第三转轴的滑动端套接定位螺母，防止第三转轴滑动过程中脱出滑槽103g。所述电动推杆103f的机体端与横梁A103a上固定安装的铰接座铰接；电动推杆103f的伸缩端与滑动梁A103d滑动端处设计的外突连接部分铰接；由此通过电动推杆103f的伸缩端伸长或缩短，带动转轴C沿滑槽103g向上或向下滑动，从而通过滑动梁A103d与滑动梁B103e分别带动横梁A103a与横梁B103b间同步的展开与收拢运动。上述两套主动变形悬挂机构103中横梁A103a与横梁B103b的车轮102安装端均安装有一个车轮102，各个车轮102分别通过一个驱动电机驱动运动，由此通过驱动电机控制车轮102转动，实现极地机器人的移动；且通过左右两侧车轮102的轮速差，可实现极地机器人的转向。两套主动变形悬挂机构103中的第一转轴通过连接轴与框架结构车身101的左侧面和右侧面中心位置相连，并使两套主动变形悬挂机构103相互对称。

所述从动变形悬挂机构104包括平衡摆杆104a、左侧连杆104b、右侧连杆104c，如图2所示；其中平衡摆杆104a水平轴接在车体1顶面前侧边中心位置上安装的摆杆支座104d上，可在水平面内任意转动；平衡摆杆104a的左右两端分别同左侧连杆104b与右侧连杆104c一端通过关节轴承连接；左侧连杆104b、右侧连杆104c的另一端分别与车体1左侧与右侧的主动变形悬挂机构103中纵梁103c顶部铰接。通过上述结构，当车体1左右两侧遇到不同的障碍，车身101两侧主动变形悬挂机构103相对于车身101转动不同角度α与β，车身101俯仰的角度就是的α与β的平均值；当车身101两侧主动变形悬挂机构103相对反向转动相同角度时，车身101俯仰角度为零。在车体1经过崎岖复杂的地形时，和现有悬挂结构相比，车体1颠簸大为减小，平稳性显著增强，为车体1搭载的各种设备正常工作提供了良好环境；而且可保证各个车轮102实时着地，能够获得足够的驱动力。

通过上述结构，当两套主动变形悬挂机构103中的电动推杆103f同步伸长与缩短相等距离时，则两套主动变形悬挂103机构中横梁A103a与横梁B103b会同步展开或收拢，此时会使车身101升起或下降，如图4、图5所示；当两套主动变形悬挂机构103中的电动推杆103f伸长与缩短不同距离时，则两套主动变形悬挂机构103中横梁A103a与横梁B103b会异步展开或收拢，此时会使车身101产生侧向滚转，如图6所示；由此，使车身101能够根据具体地形调整车身101高度和横向滚转角，增强对复杂地形的适应能力，尤其在横越斜坡时，降低车身101高度能够有效降低整车重心，改变车身101滚转角能够保持车身101处于水平或者接近水平状态，增强了稳定性，减小了侧滑距离和侧翻危险。在上述调整车身101高度和横向滚转角时，两套主动变形悬挂机构103中横梁A103a与横梁B103b的车轮102安装端间连线，始终与水平面平行。

上述车体1上可安装载荷设备，包括风速传感器、光照传感器、温度传感器、激光雷达、GPS定位模块、惯性测量单元与摄像头，用来实时获取外界环境信息以及极地机器人自身运动状态信息。其中，风速传感器、光照传感器、温度传感器、激光雷达、GPS定位模块安装在车身101外部，惯性测量单元安装在车身101内部；摄像头安装在车身101前端外壁上设计的云台上。其中，风速传感器、光照传感器、温度传感器分别用来测量外界环境中的风速、光照强度与温度信息；摄像头主要用来获取极地机器人前方的环境图像信息，并通过云台改变姿态，使摄像头具有一定的侧视和后视视野；激光雷达位于车身101前部，用于探测外界环境中极地机器人附近障碍物高度与距离信息，建立周边环境的三维地图；GPS定位模块用来获取极地机器人自身位置信息；惯性测量单元用于测量极地机器人自身姿态、加速度和轨迹，和GPS定位模块结合，实现极地机器人的导航。上述载荷设备还可根据极地机器人工作需要自由增加（如：风向传感器、雨量传感器、湿度传感器、气压传感器、雨量计、紫外辐射传感器、太阳辐射传感器）或减少。

所述供电设备2用来为本发明极地机器人系统提供工作时所需的用电；包括风力发电机201、太阳能电池板202与蓄电池组；其中，风力发电机201固定安装在车身101内，与车身101底面固定；风力发电机201用来捕获风能并将其转换为机械能后，再转换为电能。本发明中风力发电机201采用垂直轴风力发电机，其在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，抗风能力强，噪声小，控制性能好，发电效率高等优点，垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机相比不仅在发电效率上有明显的优势，在其他方面也有很多明显的优势。在南极的环境中，大风天气比较多，因此需要风力发电机有很好的稳定性和很强的抗风能力，以及在低温环境下较小的故障率。所述太阳能电池板202安装在车身101顶面前部，可利用太阳能光伏阵列的光伏效应将光能转换为电能。由此可见，本发明极地机器人将太阳能与风能两者有效的结合起来，共同给极地机器人上的负载供电。由于风能和太阳能两者在天然上存在着互补的特性：白天时，阳光比较充足，而风能资源较小；夜晚时，没有太阳光，又因为昼夜地表温差较大，这就使得晚上的风能资源对于白天较为丰富；春秋季时，阳光弱而风力较大；春夏季时，相对而言，风力较小而阳光相对充足，尤其是夏季。这种自然上构成的时差互补特性，避免了单一的太阳能发电系统或风能发电系统的间歇性问题，可以更有效的达到资源的利用。

蓄电池组由多块蓄电池组成，本发明采用卷绕式电池，其具有优良的低温特性以及高功率密度特性非常的适合极地特殊的环境。通过蓄电池组可将风力发电机与太阳能电池板输出的电能转化为化学能进行储存，为极地机器人中载荷设备与控制系统进行供电，从而保证极地机器人工作的连续性和稳定性。

为使极地移动机器人具有更好的可扩展性和适应性，本发明控制系统3采用模块化的设计方式，包括风光互补充放电控制电模块301、管理控制模块302、运动控制模块303与人机交互通信模块304。

其中，风光互补充放电控制模块301可将风力发电机201产生的三相交流电与太阳能电池板202产生的直流电进行整合与直流输出，为极地机器人的载荷设备与控制系统3中直流用电设备供电，也可通过逆变器将直流电能转换成交流电能，为极地机器人的载荷设备与控制系统3中交流用电设备供电。同时，风光互补充放电控制模块301用来根据日照强度、风力大小以及载荷设备的变化，协调风力发电机201与太阳能电池板202的最大功率。风光互补充放电控制模块301还实时对风力发电机201与太阳能电池板202的工作状态进行切换和调节，将调节后的电能直接送往直流或交流用电载荷，并将多余的电能按蓄电池组中蓄电池的特性曲线对蓄电池组进行充电；当风力发电机201与太阳能电池板202产生的电能不能满足极地机器人工作需要时，风光互补充放电控制模块301可将蓄电池组中存储的电能输出到极地机器人的载荷设备与控制系统3，保证了极地机器人工作的连续性和稳定性；且当蓄电池组中蓄电池充满电后，风光互补充放电控制模块301可控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，风光互补充放电控制模块301还控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。

人机交互通信模块304用来完成极地机器人与远程控制监控中心的人机交互，用来采集载荷设备获取的外界环境数据信息以及极地机器人自身姿态信息与位置信息传输至远程监控中心；远程监控中心在必须要时，可根据这些信息向运动控制模块发送控制信号，对两个主动变形悬挂机构中电动推杆与四个车轮对应的驱动电机控制，实现极地机器人的人工避障、越障控制。

管理控制模块302包括电源管理部分302a与决策控制部分302b；其中，电源管理部分302a用来获取蓄电池组的工作状态信息（包括电量状态、电压信息及充放电时的电流信息），以及载荷设备中测得的外界环境信息，如风力大小，光照大小，根据外界环境信息与蓄电池组的工作状态信息控制风光互补充放点控制模块301对蓄电池组进行充电、放电与待机操作；具体为：1、控制风光互补充放电控制模块301为逐一为蓄电池组中各个蓄电池进行充电；2、当蓄电池组中各个蓄电池的电量足时，由于运动控制模块303比较耗电，因此控制风光互补充放电控制模块301停止为运动控制模块303供电，待蓄电池组中各电池电量充足后，再控制风光互补充放电模块为运动控制模块303供电。电源模块还实时检测控制系统工作状态信息，当检测到控制系统瘫痪后，将重新启动控制系统，实现控制系统的复位重启。决策控制部分302b用来接收载荷设备中激光雷达获取的外界环境中障碍物信息，以及GPS定位模块与惯性测量模块获得的极地机器人自身姿态与位置信息，根据这些信息向运动控制模块303发送控制信号，通过运动控制模块303对两个主动变形悬挂机构103中电动推杆104f进行控制，达到控制极地机器人姿态的目的，实现极地机器人的自主越障控制；还用来对四个车轮102对应的驱动电机，实现极地机器人基本的运动控制，包括车体1的直行、转向、刹车、侧倾等基本的运动，以及实现极地机器人的自主避障控制。决策控制部分302b还将4接收载荷设备中激光雷达获取的外界环境中障碍物信息，以及GPS定位模块与惯性测量模块获得的极地机器人自身姿态与位置信息发送到远程监控中心，由此在必须要时，远程控制中心还可根据这些信息向决策控制部分302b发送控制信号，控制决策控制部分302b对两个主动变形悬挂机构中电动推杆与四个车轮对应的驱动电机进行控制，实现极地机器人的人工避障、越障控制。

本发明中，控制系统3设置在控制箱中，并对蓄电池组、载荷设备电池组以及控制箱均进行保温处理，且控制箱外层加装防水金属壳，内层铺设保温泡沫；同时在控制箱内部还安装有一套闭环的恒温系统，用来对控制箱内温度进行控制，保证控制系统不因低温而失效。

Claims (10)

1.一种基于风光互补能源的极地机器人，其特征在于：包括车体与车体上装载的供电设备、控制系统；

所述车体包括车身、车轮、主动变形悬挂机构与从动变形悬挂机构；其中，主动变形悬挂机构具有两套，结构相同，包括横梁A、横梁B、纵梁、滑动梁A、滑动梁B与电动推杆；横梁A、横梁B与纵梁的铰接端间通过第一转轴铰接；滑动梁A、滑动梁B的铰接端分别与横梁A、横梁B通过第二转轴铰接；滑动梁A与滑动梁B的滑动端间通过第三转轴相互铰接；纵梁上沿轴向开有滑槽，第三转轴的滑动端与滑槽间滑动连接；所述电动推杆的机体端与横梁A铰接；电动推杆的伸缩端与滑动梁A滑动端铰接；上述两套主动变形悬挂机构中横梁A与横梁B的车轮安装端均安装有一个车轮，各个车轮分别通过一个驱动电机驱动运动；两套主动变形悬挂机构中的第一转轴通过连接轴与框架结构车身的左侧面和右侧面中心位置相连；所述从动变形悬挂机构包括平衡摆杆、左侧连杆、右侧连杆；其中平衡摆杆水平轴接在车体顶面前侧边中心位置上安装的摆杆支座上；平衡摆杆的左右两端分别同左侧连杆与右侧连杆一端通过关节轴承连接；左侧连杆、右侧连杆的另一端分别与车体左侧与右侧的主动变形悬挂机构中纵梁顶部关节轴承连接；上述车体上安装有载荷设备，用来实时获取外界环境信息以及极地机器人自身运动状态信息；

所述供电设备包括风力发电机、太阳能电池板与蓄电池组，均安装在车身上；风力发电机用来捕获风能并将其转换为机械能后，再转换为电能；太阳能电池板用来将光能转换为电能；蓄电池组用来将风力发电机与太阳能电池板输出的电能转化为化学能进行储存；

所述控制系统包括风光互补充放电控制电模块、管理控制模块、运动控制模块与人机交互通信模块；其中，风光互补充放电控制模块用来将风力发电机产生的三相交流电与太阳能电池板产生的直流电进行整合与直流输出，为极地机器人的载荷设备与控制系统供电；且实现对蓄电池组的充电；以及控制蓄电池组为极地机器人的载荷设备与控制系统供电；

管理控制模块包括电源管理部分与决策控制部分；其中电源管理部分用来监测蓄电池组的工作状态信息，以及载荷设备中测得的外界环境信息，根据外界环境信息与蓄电池组的工作状态信息控制风光互补充放点控制模块对蓄电池组进行充电、放电与待机操作；并根据蓄电池组的工作状态信息进行蓄电池组的充电、放电与待机操作；电源模块还实时检测控制系统工作状态信息，当检测到控制系统瘫痪后，将重新启动控制系统，实现控制系统的复位重启；决策控制部分用来接收载荷设备中获取的外界环境信息，以及极地机器人自身姿态与位置信息，向运动控制模块发送控制信号，通过运动控制模块对两个主动变形悬挂机构中电动推杆进行控制，达到控制极地机器人姿态的目的，实现极地机器人的自主越障控制；还用来对四个车轮对应的驱动电机，实现极地机器人的运动控制，实现极地机器人的自主避障控；决策控制部分还将接收载荷设备中激光雷达获取的外界环境中障碍物信息，以及GPS定位模块与惯性测量模块获得的极地机器人自身姿态与位置信息发送到远程监控中心。

2.如权利要求1所述一种基于风光互补能源的极地机器人，其特征在于：所述横梁A、横梁B长度相等；滑动梁A与滑动梁B长度相等；且滑动梁A、滑动梁B与横梁A、横梁B的铰接位置相对第一转轴轴线对称。

3.如权利要求1所述一种基于风光互补能源的极地机器人，其特征在于：所述第三转轴的滑动端套接定位螺母。

4.如权利要求1所述一种基于风光互补能源的极地机器人，其特征在于：所述两套主动变形悬挂机构相互对称。

5.如权利要求1所述一种基于风光互补能源的极地机器人，其特征在于：两套主动变形悬挂机构中横梁A与横梁B的车轮安装端间连线，始终与水平面平行。

6.如权利要求1所述一种基于风光互补能源的极地机器人，其特征在于：所述载荷设备包括风速传感器、风向传感器、雨量传感器、湿度传感器、气压传感器、雨量计、紫外辐射传感器、太阳辐射传感器、光照传感器、温度传感器、激光雷达、GPS定位模块、惯性测量单元与摄像头。

7.如权利要求1所述一种基于风光互补能源的极地机器人，其特征在于：所述风力发电机采用垂直轴风力发电机。

8.如权利要求1所述一种基于风光互补能源的极地机器人，其特征在于：风光互补充放电控制模块还对蓄电池组进行充放电保护。

9.如权利要求1所述一种基于风光互补能源的极地机器人，其特征在于：所述控制系统设置在控制箱中，并对蓄电池组、载荷设备电池组以及控制箱均进行保温处理，且控制箱外层加装防水金属壳，内层铺设保温泡沫。

10.如权利要求9所述一种基于风光互补能源的极地机器人，其特征在于：所述控制箱内部还安装有一套闭环的恒温系统。