CN103963871A - 具有自动调平平台的五轮勘测车 - Google Patents

Abstract

具有自动调平平台的五轮勘测车，包括车头和车身，车头上设有前传动轴，车身上设有后传动轴，前后传动轴之间通过双节万向节连接，车头与车身之间通过双自由度连接结构连接。车身上竖直设置有三副滚珠丝杠，三根滚珠丝杠呈等腰三角形分布，三副滚珠丝杠7上分别套装有一个滑块，三个滑块上共同连接有平台，平台与三个滑块之间分别通过一个拉簧连接；车身上还设置有机械升降机构，机械升降机构与三副滚珠丝杠连接。本发明能够在野外复杂的路面行进，有一定越障性和高通过性，可以随地形自动调平，始终保持工作平台水平，保证搭载测试仪器的平台在野外工作时，能更好地实现对周围环境的观察以及数据收集。

Description

具有自动调平平台的五轮勘测车

技术领域

本发明属于智能运输设备技术领域，涉及一种用于野外勘探、测绘、拍摄等需要使设备保持水平的智能小车，具体涉及一种具有自动调平平台的五轮勘测车。

背景技术

目前，移动机器人种类越来越多，常用于未知地区的探测，如用于军事无人侦察方面，也可用于民用，例如震后搜救等。在移动机器人上搭载平台也是十分常见的，但通常所见的移动机器人上搭载的平台会随地形上下浮动，不能在移动中保持水平，对数据收集和环境观测带来了不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有自动调平平台的五轮勘测车，能够适应复杂地形，保持工作平台水平。

本发明所采用的技术方案是，具有自动调平平台的五轮勘测车，包括车头和车身，车头上设有前传动轴，车身上设有后传动轴，前后传动轴之间通过双节万向节连接，车头与车身之间通过双自由度连接结构连接。

本发明的特点还在于：

车身上竖直设置有三副滚珠丝杠，三副滚珠丝杠呈等腰三角形分布，三副滚珠丝杠分别设有一个滑块，三个滑块上共同连接有平台，平台与三个滑块之间分别通过一个拉簧连接；车身上还设置有机械升降机构，机械升降机构与三副滚珠丝杠连接。

机械升降机构包括丝杠电机和调平直流电机，丝杠电机与传动杆连接，传动杆通过两端的锥齿轮与左右两根竖直的滚珠丝杠连接，调平直流电机通过锥齿轮与前面的一个滚珠丝杠连接。

车头上安装有导向轮和前驱动轮，导向轮和前驱动轮刚性连接且与驱动电机连接，导向轮的转向机构与舵机传动连接，车身上安装有两个后驱动轮，两个后驱动轮与该驱动电机连接。

驱动电机通过驱动传动轴与两个前驱动轮传动连接，驱动电机依次通过双节万向节及差速器与两个后驱动轮的驱动动力轴连接。

车身上安装有控制继电器，控制继电器分别与舵机、驱动电机、调平直流电机、丝杠电机连接。

双自由度连接结构包括设置在前车身上的外套和设置在后车身上的固定轴，外套和固定轴通过自转轴连接；自转轴的一端通过轴承设置在外套内，另一端通过连接件与固定轴连接。

自转轴与外套连接的一端设有轴肩，轴肩的两侧均通过轴承与外套连接；自转轴的轴肩上沿垂直于轴线方向设有限位杆。

自转轴的轴肩上设有安装孔，外套上设有限位孔，限位杆插装在安装孔内，限位杆的两端位于限位孔内。

平台上设置有水平检测系统，检测装置包括设置在平台上的三轴陀螺仪和三轴加速度计，三轴陀螺仪和三轴加速度计与单片机连接，单片机通过丝杠电机和调平直流电机调节平台。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明车身上设有三副滚珠丝杠和机械升降机构，后面两副滚珠丝杠由一个丝杠电机驱动，中心为平衡点，一端上升，另一端下降，可快速实现平台的左右调平，前面的滚珠丝杠由另一个调平直流电机驱动，可实现前后调平，响应时间短，使车体在复杂地形也能够保持水平。

2、本发明前轮为导向轮，用舵机实现转向；其余四轮为四驱传动，前桥、后桥均使用差速器配合实现转向，保证驱动轮始终着地，从而拥有强劲的抓地力，提高了车体移动时的通过性，同时保证了稳定性。

3、本发明的车头与车身之间通过双自由度连接结构连接，可使车头和车身绕水平横轴产生相对转动，同时车头与车身在水平方向有微量弯折，从而减小车体的转弯半径，可确保在遇到障碍时动力的传递和车身的平稳性。

4、本发明能够在野外复杂的路面行进，有一定越障性和高通过性，可以随地形自动调平，始终保持工作平台水平，保证搭载测试仪器的平台在野外工作时，能更好地实现对周围环境的观察以及数据收集。

附图说明

图1是本发明具有自动调平平台的五轮勘测车结构示意图；

图2是图1的仰视图；

图3是图1的侧视图；

图4是本发明具有自动调平平台的五轮勘测车的平台结构示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是本发明具有自动调平平台的五轮勘测车的双自由度结构示意图；

图7是图6的A-A剖视图；

图8是本发明具有自动调平平台的五轮勘测车的立体示意图。

图中，1.导向轮，2.驱动传动轴，3.双节万向节，4.平台，5.调平直流电机，6.机械升降机构，7.滚珠丝杠，8.驱动电机，9.水平检测系统，10.双自由度连接结构，101.外套，102.自转轴，103.一号轴承，104.限位杆，105.二号轴承，106.端盖，107.固定轴，108.连接件，11.差速器，12.丝杠电机，13.车头，14.车身.

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

具有自动调平平台的五轮勘测车的结构，参照图1、图2、图3，车体分为车头13与车身14，车头13和车身14通过双自由度连接结构10连接，车头13上设有前传动轴，车身14上设有后传动轴，前后传动轴之间通过双节万向节3连接，

车头13上安装一个导向轮1、两个前驱动轮及驱动电机8，导向轮1的转向机构与舵机传动连接；在车身14安装有两个后驱动轮、控制继电器、三副竖直设置的滚珠丝杠7、调平直流电机5和丝杠电机12；驱动电机8设置有两条动力输出路线，一条是（向前）通过驱动传动轴2与两个前驱动轮直接传动连接，另一条是（向后）依次通过双节万向节3及差速器11与两个后轮的驱动动力轴2实现传动连接。

基于三点确定一个平面的原理，三副滚珠丝杠7呈等腰三角形分布，即前面一副滚珠丝杠7，后面左右各一副滚珠丝杠7，三副滚珠丝杠7上分别套装有一个滑块，三个滑块上共同安装连接有平台4，平台4用于承载探测仪器设备，平台4与三个滑块之间分别通过一个拉簧连接，这样就可以实现在平台调平过程中发生与车体相对倾斜时的变形；据此，三根滚珠丝杠7、丝杠电机12、调平直流电机5及其传动轴一起构成平台4的机械升降机构6。平台4上设置有水平检测系统9，在水平检测系统9的监测和控制下，机械升降机构6分别控制三副滚珠丝杠7的工作，完成平台4的水平姿态的调整。

导向轮1与前驱动轮刚性连接，保证了导向轮1有足够的抓地力，使其在转弯时能够把力传递给车头，引导小车避开大型障碍。

机械升降机构6的控制路线分为两部分，左右调平使用同一个丝杠电机12，丝杠电机12与传动杆传动连接，传动杆通过两端的锥齿轮与左右两根竖直的滚珠丝杠7传动连接，即通过横向的传动杆和两端锥齿轮将动力传递给左右滚珠丝杠7，这样就恰好能够使左右两根滚珠丝杠7以传动杆的中心为平衡点，实现一端滚珠丝杠7上的滑块的上升，另一端滚珠丝杠7上的滑块的下降。同理，平台4前后的调平通过调平直流电机5，调平直流电机5与前面的一个滚珠丝杠7传动连接，通过调节前面滚珠丝杠7上的滑块上下移动，实现平台4在前后纵向方向的调平。

双自由度连接结构10连接于车头13与车身14之间，包括固定在车头13上的外套101和固定在车身上14的固定轴107，外套101和固定轴107通过自转轴102连接。自转轴102的一端通过轴承设置在外套101内，另一端通过连接件108与固定轴107连接。

自转轴102与外套101连接的一端设有轴肩，轴肩的两侧分别通过一号轴承103和二号轴承105与外套101连接，一号轴承103的外圈和外套101的内圈过盈配合，二号轴承105通过轴承端盖106固定，保证了自转轴102与外套101的连接与固定；在自转轴102轴肩垂直于轴线方向设有一个安装孔，安装限位杆104，限位杆104的两端在外套101的限位孔内活动，限制了自转轴102的转动范围，自转轴102和固定轴107通过连接件108连接，共同实现该双自由度连接结构的两个方向的转动功能。

控制继电器分别与舵机、调平直流电机8、调平直流电机5、丝杠电机12、各个开关控制芯片连接，控制继电器的功能包括，1）通过转向机构，控制舵机的转向（控制小车的转向）；2）控制调平直流电机8的正反转（控制小车的前进和后退）；3）感受平台4的纵向及横向水平状态，控制驱动电机5和丝杠电机12的正反转（控制平台4的调平）。

本发明导向轮1与两个前驱动轮安装在车头上，导向轮1的作用是在车行驶过程中完成车身的导向，通过舵机来控制平行四边形机构将转向动力传递给导向轮，实现对前轮方向的控制。

后驱动轮安装在车身，实现四驱传动，动力由驱动电机8传递给驱动传动轴2，通过差速器11传递给四个车轮上，动力强劲，越障性能良好。这样就保证了导向轮有足够的抓地力，使其在转弯时能够把转向力传递给车头，引导小车避开大的障碍。

为了减小车体的转弯半径，以及增强五个轮子的抓地性，车头与车身的连接处采用双自由度连接结构10，该结构既可使车头和车身，以双自由度连接结构中的连接螺栓为坐标原点的水平横轴产生一定量的相对转动，同时车头与车身在水平方向有微量弯折，从而减小车体的转弯半径，使驱动轮始终接地，增大了接地面积和车轮的抓地力，从而提高了小车的通过性。该结构还可以减小车头遇到障碍时对车身产生的影响。同时，驱动传动轴2在前后车身连接处采用双节万向节3实现过渡，这样就使得车身在发生扭转时，动力依然能够正常的传递给前后轮。

平台调平系统由机械调平系统和水平检测系统9两部分组成，机械调平系统在水平检测系统9的监测和控制下完成平台的调整运动。

平台自动机械调平包括“左右调平”和“前后调平”。“左右调平”使用一个丝杠电机12，通过横向的传动杆和锥齿轮将动力传递给左右两根竖直的滚珠丝杠7，这样就恰好能够使左右两根滚珠丝杠7以中心为平衡点，实现一端的上升，另一端的下降。同理，“前后调平”也使用一个调平直流电机5，通过调节前面的滚珠丝杠7，实现前后的调平。与目前普遍使用的上述各种调平系统相比，减低了结构的复杂性，节省了造价。

平台的水平检测系统9由单片机通过I2C总线将ITG-3205三轴陀螺仪中的数据读入RAM中，在单片机内将数据加以合成、转换和处理得到当前平台的转动角速度信息，将转动角速度经过PID调节后作为内环输入进控制系统中。同时，单片机通过I2C总线将ADXL345三轴加速度计中的数据读入RAM中，在单片机内将数据加以合成、转换和处理得到当前平台的倾角信息，将倾角值经过PID调节后作为外环输入进入控制系统中，控制系统通过丝杠电机12和调平直流电机5对平台进行调节，提高平台调节的稳定性和准确性。

平台4和滚珠丝杠7的滑块通过拉簧连接，属于柔性连接，这样就可以实现在平台调平过程中发生与车体相对倾斜的变形。柔性连接的设计简单，同时具有一定的减振效果，使车体产生的振动不会传递到平台上。

实验证明，本发明具有自动调平平台的五轮勘测车在复杂路面上具有良好的通过性，平台在机械式的调平方式下，能始终保持平台的水平，满足野外测量、勘探、拍摄的要求。

Claims (10)

1.具有自动调平平台的五轮勘测车，其特征在于：包括车头（13）和车身（14），所述车头（13）上设有前传动轴，所述车身（14）上设有后传动轴，前后传动轴之间通过双节万向节（3）连接，所述车头（13）与车身（14）之间通过双自由度连接结构（10）连接。

2.如权利要求1所述的具有自动调平平台的五轮勘测车，其特征在于：所述车身（14）上竖直设置有三副滚珠丝杠（7），所述三副滚珠丝杠（7）呈等腰三角形分布，三副滚珠丝杠（7）分别设有一个滑块，三个滑块上共同连接有平台（4），所述平台（4）与三个滑块之间分别通过一个拉簧连接；车身（14）上还设置有机械升降机构，所述机械升降机构与三副滚珠丝杠（7）连接。

3.如权利要求2所述的具有自动调平平台的五轮勘测车，其特征在于：所述机械升降机构包括丝杠电机（12）和调平直流电机（5），所述丝杠电机（12）与传动杆连接，传动杆通过两端的锥齿轮与左右两根竖直的滚珠丝杠（7）连接，所述调平直流电机（5）通过锥齿轮与第三个滚珠丝杠（7）连接。

4.如权利要求1-3任一项所述的具有自动调平平台的五轮勘测车，其特征在于：所述车头（13）上安装有导向轮（1）和前驱动轮，所述导向轮（1）和前驱动轮刚性连接且与驱动电机（8）连接，导向轮（1）的转向机构与舵机连接，所述车身（14）上安装有两个后驱动轮，两个后驱动轮与所述驱动电机（8）连接。

5.如权利要求4所述的具有自动调平平台的五轮勘测车，其特征在于：所述驱动电机（8）通过驱动传动轴（2）与两个前驱动轮连接，所述驱动电机（8）依次通过双节万向节（3）及差速器与两个后驱动轮的动力轴连接。

6.如权利要求5所述的具有自动调平平台的五轮勘测车，其特征在于：车身（14）上安装有控制继电器，控制继电器分别与舵机、驱动电机（8）、调平直流电机（5）及丝杠电机（12）连接。

7.如权利要求1所述的具有自动调平平台的五轮勘测车，其特征在于：所述双自由度连接结构（10）包括设置在车头（13）的外套（101）和设置在车身（14）上的固定轴（107），所述外套（101）和固定轴（107）通过自转轴（102）连接；所述自转轴（101）的一端通过轴承设置在外套（101）内，另一端通过连接件（108）与固定轴（107）连接。

8.如权利要求7所述的具有自动调平平台的五轮勘测车，其特征在于：所述自转轴（102）与外套（101）连接的一端设有轴肩，轴肩的两侧分别通过轴承与外套（101）连接；所述自转轴（102）的轴肩上沿垂直于轴线方向设有限位杆（104）。

9.如权利要求8所述的具有自动调平平台的五轮勘测车，其特征在于：所述自转轴（102）的轴肩上设有安装孔，所述外套(101)上设有限位孔，限位杆(104)插装在安装孔内，限位杆(104)的两端位于限位孔内。

10.如权利要求6所述的具有自动调平平台的五轮勘测车，其特征在于：所述平台(4)上设置有水平检测系统，所述水平检测装置包括设置在平台(4)上的三轴陀螺仪和三轴加速度计，所述三轴陀螺仪和三轴加速度计与单片机连接，所述单片机与控制继电器连接。