CN103802656A - 一种四轮行星车移动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四轮行星车移动系统，由上位机和下位机组成。上位机为PC机，采用无线方式与所述下位机通信。下位机由移动子系统、下位机控制模块和CAN总线系统组成。移动子系统包括4个车轮，4个转向机构，4个摇臂，4个摇臂与车体的连接装置，4个铰链，一个横轴以及一个行星车车厢。本发明所述四轮行星车的每个车轮内部都安装有一个驱动电机和一个方向电机，可实现行星车前进、后退、360度原地旋转和绕任意转弯半径进行转向；驱动电机和方向电机均置于车轮内部，防止灰尘进入，提高了行星车电机工作的可靠性。本发明使用工业级CAN总线构成分布式多轴驱动系统，使行星车具有极高的可靠性和实时性。

Description

一种四轮行星车移动系统

技术领域

本发明属于机器人自动化领域，涉及一种新型四轮行星车的分布式驱动结构。

背景技术

随着现代科技的进步，人类的探索步伐已经延伸到了地外星球。行星车是人类用来进行无人星际探索，探测地外行星物质的有利武器。

目前已经应用或即将应用于深空探测工程的行星车以六轮机器人系统为主，结构相对比较复杂，导致体积和质量庞大，影响了可靠性和灵活性。四轮行星车比传统的六轮行星车结构更简单、轻便，降低了功耗，提高了机动性。申请号为200910172652.2的专利公开了一种月球车结构，车体采用八角形设置，车体下部采用四套轮臂、车轮的正四角形主动仿形机构分布。该设计使用了4个转臂电机、4个转向电机，4个驱动电机和4个升降电机。虽提高了月球车的平稳性和地形适应性，但是除驱动电机外的其他电机均置于裸露环境中，由于月球复杂的地貌，月尘大量聚集月面，使得电机工作的可靠性受到了极大挑战。因此减少电机个数并将电机置于车轮内部密闭空间是提升行星车在恶劣环境中可靠工作的新思路。

发明内容

针对现有四轮行星车电机裸露在恶劣环境中可能引起可靠性降低的缺陷，本发明公开了一种新型四轮行星车移动系统，采用结构简单、紧凑的机构，将电机置于车轮内部密闭空间，能适应在恶劣环境下作业。

一种四轮行星车移动系统，由上位机和下位机组成。其中，上位机为PC机，采用无线方式与下位机通信；下位机由移动子系统、下位机控制模块和CAN总线系统组成。

移动子系统包括：四个车轮2，四个转向机构4，四个摇臂3，四个摇臂与车体的连接装置6，四个铰链5，一个横轴7以及一个行星车车厢1。其中，

车轮2采用中空式刚性轮，四个车轮为独立驱动。每个车轮包括：一个轮体201，一个轮毂202，一套减速机构203，一个制动器204，一个驱动电机205，一个方向电机206，一个与摇臂相连的法兰207和一个电机套法兰盘208。其中，驱动电机205和方向电机206均采用高精度无刷直流电机，实现精确的位置和速度控制。驱动电机205输出转速和扭矩，通过控制其转速和扭矩控制车轮的转速和扭矩，通过控制其正反转来实现整车的前进与后退。方向电机206输出转动位置，通过控制其转动角度控制车轮的转动角度，通过控制其正反转来实现整车的转向。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。电机套法兰盘208和与摇臂相连的法兰207齿合，从而将车轮固定在摇臂3上，起到车轮2与摇臂3之间的连接作用。轮毂202用于连接轮圈，通过轮毂202的转动带动整个车轮2的转动。

转向机构4一端铰接在摇臂3上，另一端则与车轮电机套法兰盘208相连。通过方向电机206的正反转来实现整车的转向功能。

摇臂3的前端通过摇臂与车体的连接装置6与行星车车厢1相连，摇臂3的后端通过铰链5连接一个转向机构4。通过摇臂3的控制可以实现整车的重心调整，维持车体的平衡，实现运动的最优化。

摇臂与车体的连接装置6安装于车体上，用于实现移动子系统与车体之间的连接。

横轴7安装于车体中心，用于摇臂与车体的连接装置6的安装与固定。

行星车车厢1置于横轴7之上，并与横轴7组成上部车体，用于搭载仪器设备。

整车移动系统车厢由一根横轴7支持，另有四个摇臂3保证车厢的稳定性。行星车总重50kg，车轮采用刚性轮，车轮直径

车轮宽度b=150mm，正常行驶车速为v=60m/h。行星车可实现直线前进和后退运动，圆弧运动和圆周转动功能。

下位机控制模块由主处理器模块、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，是上位PC机和主处理器模块之间数据通信的接口。作用是接收上位PC机发送的控制信息，同时向上位PC机上传行星车车轮位置、速度信息，实现上位PC机对于行星车的实时操作。

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206和方向电机208。

编码器是采用CAN接口的绝对编码器，每个车轮都安装一个编码器，用于检测车轮的初始角度信息。

CAN总线系统用于传输信号，实现分布式多轴运动控制。CAN总线具有极高的可靠性、实时性和灵活性，可以满足行星车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信并保证通信质量。下位机控制模块仅使用两根屏蔽双绞线传输差分信号，将所有外围器件挂接在这两根总线上即可传输数据，即四个驱动电机控制器，四个方向电机控制器和四个编码器挂接在总线上，可靠高效地实现数据传输，其最高通信速率可达1Mbps。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明所述行星车采用四轮驱动，结构紧凑，左右对称，质量轻便。行星车主车体由一根横轴支持，使得车体工作平台姿态平衡稳定，重力在各轮上均匀分配，使电机发挥最大驱动效率；

(2)本发明四轮行星车的每个车轮内部都安装有一个驱动电机和一个方向电机，使每个车轮都能发挥驱动轮和方向轮的作用。这种结构设计使行星车运行灵活，可实现行星车前进、后退、360度原地旋转和绕任意转弯半径进行转向；驱动电机和方向电机均置于车轮内部，防止灰尘进入，提高了行星车电机工作的可靠性。而现有技术大部分行星车的一个车轮仅有一种功能，或者仅作为驱动轮使车体前进、后退，或者仅作为方向轮转变车体方向，且电机置于裸露环境，电机运行中的风险较大。

(3)使用工业级CAN总线构成分布式多轴驱动系统，使行星车具有极高的可靠性和实时性。一般的编码器数据传输接口采用RS485，RS422，SSI协议或Biss协议。而该编码器数据传输采用CAN接口，将编码器作为CAN设备挂接在CAN总线上，可以提高数据传输的准确性和可靠性。

附图说明

图1是四轮行星车移动系统组成框图；

图2是移动子系统结构简图，图中：1—行星车车厢，2—车轮，3—摇臂，4—转向机构，5—铰链，6—摇臂与车体的连接装置，7—横轴；

图3是车轮组成示意图，图中：201—轮体，202—轮毂，203—减速机构，204—制动器，205—驱动电机，206—方向电机，207—与摇臂相连的法兰，208—电机套法兰盘；

图4是分布式多轴运动控制系统框架图；

图5是本发明中行星车驱动控制流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1示出了本发明四轮行星车移动系统组成框图。系统由上位机和下位机组成。其中，上位机为PC机，采用无线方式与下位机通信；下位机由移动子系统、下位机控制模块和CAN总线系统组成。下位机控制模块由主处理器模块、无线通信模块、运动控制器和编码器组成。

图2示出了移动子系统结构简图。移动子系统包括：四个车轮2，四个转向机构4，四个摇臂3，四个摇臂与车体的连接装置6，四个铰链5，一个横轴7以及一个行星车车厢1。摇臂3的前端通过摇臂与车体的连接装置6与行星车车厢1相连，转向机构4一端与车轮2相连，另一端通过铰链5连接在摇臂3上。箭头方向为车体正常前进方向。

图3示出了车轮组成的示意图。车轮内部有2个电机控制器和2个电机。驱动电机205通过轮毂202连接到轮体201，实现车轮前向驱动。减速机构203可以降低驱动电机205的转速，提高输出转矩。制动器204可以实现驱动电机205的制动。方向电机206的转动实现车轮绕轴转动。电机套法兰208和与摇臂相连的法兰207齿合，起到车轮2与摇臂3之间的连接作用。

图4示出了本发明中分布式多轴运动控制系统框架图。主处理器模块采用PC104工控机，搭配MSM CAN板卡，PC104工控机载有PentiumⅢ处理器，配有高实时性的VxWorks操作系统。运动控制器包括驱动电机控制器和方向电机控制器，均采用faulhaber独立运动控制器MCBL3006C，基于高速DSP开发，无需外加编码器即可实现高精度的速度和位置控制。为提高系统可靠性，采用CAN总线作为主通信接口。PC104工控机通过PCI104总线连接到MSMCAN板卡，MSM CAN板卡作为主节点连接到CAN总线上。两根总线之间需各挂接一个120Ω的电阻。一共12个独立节点挂接在总线上，其中4个驱动电机控制器和4个方向电机控制器作为8个独立节点挂接在总线上控制电机，主节点发送指令控制电机运转。驱动电机控制器连接驱动电机，方向电机控制器连接方向电机。4个编码器作为4个独立节点挂接在总线上，向主节点发送车轮位置信息。

图5示出了行星车驱动控制流程图。主系统上电运行初始化，通过编码器可读取车轮当前位置信息，上位机通过无线传输获取车轮当前位置信息后发出驱动指令，主处理器将指令信息通过CAN总线发送到各个节点，相应节点的电机控制器接收命令，驱动所连电机转动，轮式移动机器人完成相应动作。同时电机附带的霍尔传感器可获取车轮旋转速度和方向电机摆角，并上传上位机，上位机实时获取电机速度和方向摆角的实时数据信息。

电机轴的输出转速较高，经过减速机构减速后，使得转速下降，同时输出扭矩得以提高，有利于保证行星车的移动速度和提高整个行星车的越障能力及驱动性能。当给驱动电机供电时，可以通过控制器来控制驱动电机的输出转速和扭矩，通过控制驱动电机的正反转来控制轮毂的正反转，进而使轮毂带动整个车轮转动。四轮移动子系统在控制模块的控制下，可以实现以下操作：

(1)前进、后退：当所有驱动电机正、反转时，两侧摇臂和转向机构在四个驱动轮的作用下向前移动，两侧的摇臂通过连接装置带动行星车向前、后移动；

(2)转向：当前两个转向机构同时工作，或者当后两个转向机构同时工作，或者当四个转向机构共同工作时，可以控制行星车按照不同的转弯半径进行转向以及原地旋转；

(3)制动：当行星车停留在斜坡时，通过驱动轮上的制动装置可以实现所有驱动轮的制动，从而实现整个行星车的制动，以确保其能够停留在斜坡上。

Claims (5)

1.一种四轮行星车移动系统，由上位机和下位机组成；所述上位机为PC机，采用无线方式与所述下位机通信；所述下位机由移动子系统、下位机控制模块和CAN总线系统组成；其特征在于：

所述移动子系统包括：一个行星车车厢（1），四个车轮（2），四个摇臂（3），四个转向机构（4），，四个铰链（5），四个摇臂与车体的连接装置（6）以及一个横轴（7）；其中，

所述车轮（2）采用中空式刚性轮，四个车轮为独立驱动；

所述转向机构（4）一端铰接在所述摇臂（3）上，另一端则与车轮电机套法兰盘（208）相连；通过方向电机（206）的正反转来实现整车的转向功能；

所述摇臂（3）的前端通过所述摇臂与车体的连接装置（6）与所述行星车车厢（1）相连，所述摇臂（3）的后端通过所述铰链（5）连接一个转向机构（4）；通过所述摇臂（3）的控制实现整车的重心调整，维持车体平衡，实现运动的最优化；

所述摇臂与车体的连接装置（6）安装于车体上，用于实现移动子系统与车体之间的连接；

所述横轴（7）安装于车体中心，用于所述摇臂与车体的连接装置（6）的安装与固定；

所述行星车车厢（1）置于所述横轴（7）之上，并与所述横轴（7）组成上部车体，用于搭载仪器设备；

所述下位机控制模块由主处理器模块、无线通信模块、运动控制器和编码器组成；所述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（206）和方向电机（208）；所述编码器是采用CAN接口的绝对编码器，每个车轮都安装一个编码器，用于检测车轮的初始角度信息；

所述CAN总线系统用于传输信号，实现分布式多轴运动控制。

2.根据权利要求1所述的一种四轮行星车移动系统，其特征在于，所述每个车轮（2）包括：一个轮体（201），一个轮毂（202），一套减速机构（203），一个制动器（204），一个驱动电机（205），一个方向电机（206），一个与摇臂相连的法兰（207）和一个电机套法兰盘（208）；其中，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，实现精确的位置和速度控制；所述驱动电机（205）输出转速和扭矩，通过控制其转速和扭矩控制车轮的转速和扭矩，通过控制其正反转来实现整车的前进与后退；所述方向电机（206）输出转动位置，通过控制其转动角度控制车轮的转动角度，通过控制其正反转来实现整车的转向；所述制动器（204）用于驱动轮的制动；所述减速机构（203）用于降低电机输出轴的转速，同时提高输出扭矩；所述电机套法兰盘（208）和所述与摇臂相连的法兰（207）齿合，将车轮固定在所述摇臂（3）上，起到车轮（2）与摇臂（3）之间的连接作用；所述轮毂（202）用于连接轮圈，通过所述轮毂（202）的转动带动整个车轮（2）的转动。

3.根据权利要求1所述的一种四轮行星车移动系统，其特征在于，所述移动子系统的转向机构（4）可实现直线前进、直线倒退、360度原地旋转以及绕不同的转弯半径进行转向。

4.根据权利要求1所述的一种四轮行星车移动系统，其特征在于，所述的CAN总线系统使包括四个驱动电机控制器、四个方向电机控制器和四个编码器的所有外围器件都挂接在两根总线上传输数据，实现可靠高效的数据传输。

5.根据权利要求2所述的一种四轮行星车移动系统，其特征在于，所述驱动电机（205）和方向电机（206）均置于所述车轮（2）内部，可以防止灰尘进入，提高行星车电机工作的可靠性。

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