CN104097481B - 一种零输入载人月球车主动悬架及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零输入载人月球车主动悬架及其控制方法。该零输入载人月球主动悬架在传统主动悬架基础上增加了主动控制系统，所述主动控制系统包括滚珠丝杠托架、两个滑轨、滚珠丝杠螺母、滚珠丝杠杆和电机；同时通过判断主动控制系统所处状态并更新相应状态下主动控制系统的存储能量来实现该载人月球车无需额外外部输入能量，解决载人月球车对能源利用率要求高以及整车平顺性好的需求。

Description

一种零输入载人月球车主动悬架及其控制方法

技术领域

本发明属于载人月球车控制领域，更具体地说为一种载人月球车主动悬架及其控制方法。

背景技术

悬架系统作为载人月球车移动系统的重要组成部分，必须具有良好的平顺性，良好的适应地形能力以及越障能力。其性能直接影响着月球探测车移动系统的通过性能、平稳性能、工作效能及可靠性。因此悬架机构设计成为月球探测车研究的热点问题之一。迄今为止，俄、美、欧、日等国已经研制出各种类型的悬架机构，均在一定程度上提高了月球探测车的移动性能。但目前登月的载人月球车均是被动悬架，从登月宇航员登月反馈情况可知，由于月球车引力是地球的1/6及月面道路条件恶劣，宇航员感受乘坐舒适性非常差，另外月球车的平顺性差对精密的探测仪器测量及其使用寿命有非常大的影响。

一般的主动悬架虽可根据行驶状态和路面状况实时的输出主动控制力以获得更好的行驶平顺性，但其需要在悬架中加装外界动力源和主动作动输出装置造成悬架结构复杂且消耗大量的外部能量。半主动悬架是将被动悬架中阻尼值不变的减震器改造成为阻尼值实时可调的阻尼元件，但其阻尼元件消耗能量且性能较主动悬架差。在当前登月活动所携带的能源十分有限，即使可利用太阳能但大部分能量需要保障载人月球车各系统部件的正常工作，使用有限能量实现更多功能对于载人月球车具有重大的意义。基于此应用背景可知以上各种悬架很难满足载人月球车的高性能要求。

发明内容

本发明提供了一种可以克服现有载人月球车悬架平顺性能较差缺陷的零输入载人月球车主动悬架。

为解决上述技术问题，本发明一种零输入载人月球车主动悬架，包括下摆臂、上摆臂、两个阻尼弹簧减震器、两个摆杆、第一连接件和第二连接件，所述第一连接件用于连接主动悬架与车轮，所述第二连接件用于连接主动悬架与车架，其中，所述上摆臂的一端与第一连接件活动连接，另一端分别与两个摆杆的一端活动连接，且上摆臂运动时牵引两个摆杆同步运动；所述下摆臂的一端与第一连接件活动连接，另一端与第二连接件活动连接，

还包括主动控制系统，所述主动控制系统包括滚珠丝杠托架、两个滑轨、滚珠丝杠螺母、滚珠丝杠杆和电机，两个滑轨平行固定于第二连接件上且两个滑轨上对称设置固定基座；

滚珠丝杠托架的两端分别设置在两根滑轨上并能够沿滑轨滑动，滚珠丝杠托架的中部固连滚珠丝杠螺母的上端，滚珠丝杠螺母的下端与滚珠丝杠杆的上端相连，滚珠丝杠杆的下端与电机的转轴相连，电机设置于车架上，所述电机为储能电机；

两个阻尼弹簧减震器的一端分别与两个摆杆的一端活动连接，另一端分别与两个固定基座活动连接；两个摆杆的另一端分别与滚珠丝杠托架的两端活动连接。

进一步地优选方案，本发明零输入载人月球车主动悬架中，所述上摆臂的形状为H型，其中，H型上摆臂的两个纵臂中部向下延伸方向对称设有支点，两个支点均铰接在第二连接件的顶端作为一对活动支点，H型上摆臂的两个纵臂的一端均与第一连接件相铰接，另一端分别与两个摆杆的一端相铰接；

进一步地优选方案，本发明零输入载人月球车主动悬架中，所述下摆臂为H型下摆臂。

进一步地优选方案，本发明零输入载人月球车主动悬架中，滚珠丝杠托架为“几”字形托架。

进一步地优选方案，本发明零输入载人月球车主动悬架中，所述活动连接均采用铰链方式连接。

进一步地优选方案，本发明零输入载人月球车主动悬架中，两个滑轨的下端对称设置固定基座。

同时为了克服主动悬架需要额外外部输入能量的缺陷，实现主动悬架零输入控制，本发明还提供了一种载人月球车主动悬架控制方法。

一种载人月球车主动悬架控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1、使用天棚阻尼控制法则确定理想主动控制输入力 k_sky为天棚阻尼系数，为阻尼弹簧减震器两端之间的相对运动速度；

步骤2：利用步骤1中获得的理想主动控制输入力计算电机理想输出扭矩T_des和理想输出电流I_des；

$T_{des}=\frac{F_a^{des}}{k_l},I_{des}=\frac{T_{des}}{k_t}=\frac{F_a^{des}}{k_t{k}_l},$

式中，k_l为滚珠丝杠杆的导程常数，k_t为电机的扭矩常数；

步骤3：利用步骤2中获得的电机理想输出电流I_des，计算出电流误差ΔI，ΔI＝I_des-I然后计算出电机两端理想作用电压V_des；

V_des＝-K_P+K_i·∫ΔI·dt，

式中，K_P为比例因子，K_i为积分常数，∫为积分符号，dt为积分步长，I为电机实时输出电流；

步骤4：通过电机理想输出电流I_des与电机两端理想作用电压V_des计算出主动控制系统理想瞬时输出功率P_des，P_des＝V_des·I_des；

步骤5、根据主动控制系统理想瞬时输出功率P_des符号来判断主动控制系统所处状态并更新相应状态下主动控制系统的存储能量；

若P_des>0则判定主动控制系统为存储能量状态，将电机两端端电压V设定为理想作用电压V_des，更新主动控制系统的存储能量，将瞬时能量E_s加上系统原剩余能量作为主动控制系统新的存储能量，其中，E_s＝V·I·ΔT，ΔT为主动控制系统更新一次的时间步长，执行步骤6；

若P_des<0则判定主动控制系统为输出能量状态，此时，判断当前主动控制系统存储能量是否大于允许输出能量的预设下阈值E_min，如果大于预设下阈值则允许主动控制系统输出能量，将电机系统两端端电压V设定为理想电压V_des，更新主动控制系统的存储能量，将瞬时能量E_s加上系统原剩余能量作为主动控制系统新的存储能量，其中，E_s＝V·I·ΔT，ΔT为主动控制系统更新一次的时间步长，执行步骤6；否则将电机两端端电压V设定为零，主动控制系统存储能量不变，执行步骤6；

步骤6：实时跟踪零输入载人月球车主动悬架的运动，重复循环执行步骤1-5，实现悬架零输入主动控制的功能。

进一步的优选方案，本发明载人月球车主动悬架控制方法中，步骤1中天棚阻尼系数k_sky为以主动控制系统存储能量E为函数的表达式，该表达式具有二阶光滑特性；

$k_{sky}=\left\{\begin{array}{cc}{a}_1{E}^5+a_2{E}^4+a_3{E}^3+a_4{E}^2+a_{5}E+a_6& E<E_{th}\\ \mathrm{\&delta;}& E\&GreaterEqual;E_{th}\end{array}\right.$

E_th为系统存储能量的预设上阈值，δ为最大天棚阻尼系数；

利用下式联立求解出天棚阻尼系数k_sky表达式中的a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆六个系数

$\left\{\begin{array}{c}{a}_6=0\\ a_5=0\\ a_4=0\\ a_1{E}_{th}^5+a_2{E}_{th}^4+a_3{E}_{th}^3+a_4{E}_{th}^2+a_5{E}_{th}+a_6=\mathrm{\&delta;}\\ 5a_1{E}_{th}^4+4a_2{E}_{th}^3+3a_3{E}_{th}^2+2a_4{E}_{th}+5a_5=0\\ 20a_1{E}_{th}^3+12a_2{E}_{th}^2+6a_3{E}_{th}+2a_4=0\end{array}\right..$

本发明与现有技术相比具有以下显著的优点：

(1)本发明零输入载人月球车主动悬架可以解决载人月球车对能源利用率要求高以及整车平顺性好的需求。

(2)本发明零输入载人月球车主动悬架控制方法仅需提供启始运动阶段的能量，在运动过程中通过实时判断主动控制系统的存储能量状态来更新能量，从而实现了运动过程中外界能量零输入；

(3)载人月球车主动悬架的主动控制系统理想作用力的天棚阻尼系数k_sky表达式具有二阶光滑特性，可避免路面输入低频信号时出现系统能量频繁耗尽造成悬架性能恶化的情况。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述；

附图说明

图1为本发明载人月球车主动悬架结构示意图；

图2为主动控制系统与阻尼弹簧减震器的连接关系示意图；

图3为上摆臂、主动控制系统与阻尼弹簧减震器的连接关系示意图；

图4为主动控制系统工作原理示意图；

图5为电机的结构示意图；

图6为上摆臂的结构示意图；

图7为下摆臂的结构示意图；

图8为第一连接件的结构示意图；

图9为第二连接件的结构示意图；

图10为本发明主动悬架控制方法的流程图；

1-下摆臂；3-第一连接件；5-上摆臂；6-阻尼弹簧减震器；7-固定基座；8-第二连接件；2、4、9、10、13、15、16均为铰链；11-滚珠丝杠托架；12-摆杆；14-滑轨；17-滚珠丝杠螺母；18-滚珠丝杠杆；19-电机。

具体实施方式

本发明零输入载人月球车主动悬架及其控制方法依附于载人月球车。主动悬架分布于载人月球车四周，连接车架与转向驱动结构，承担载人月球车承载与减震功能。

如图1所示，本发明一种载人月球车主动悬架，包括下摆臂1、上摆臂5、两个阻尼弹簧减震器6、两个摆杆12、第一连接件3、第二连接件8和主动控制系统，所述第一连接件3用于连接主动悬架与车轮，所述第二连接件8用于连接主动悬架与车架，其中，所述上摆臂5的一端与第一连接件3相铰接，另一端分别与两个摆杆12的一端相铰接，且上摆臂5运动时牵引两个摆杆12同步运动；所述下摆臂1的一端与第一连接件3相铰接，另一端与第二连接件8相铰接；所述主动控制系统包括滚珠丝杠托架11、两个滑轨14、滚珠丝杠螺母17、滚珠丝杠杆18和电机19，两个滑轨14平行固定于第二连接件8上且两个滑轨上对称设置固定基座7；

如图2、图3所示，滚珠丝杠托架11为“几”字型托架，托架的两端分别设置在两根滑轨14上并能够沿滑轨滑动，滚珠丝杠托架11的中部固连滚珠丝杠螺母17的上端，滚珠丝杠螺母17的下端与滚珠丝杠杆18的上端相连，滚珠丝杠杆18的下端与电机19的转轴相连，电机19设置于车架上，所述电机19为储能电机；

两个阻尼弹簧减震器6的一端分别通过铰链10与两个摆杆12的一端相铰接，另一端分别通过铰链9铰接在两个固定基座上；两个摆杆12的另一端分别通过铰链13铰接在滚珠丝杠托架11的两端。

如图6、图8、图9所示，上摆臂5的形状为H型，其中，H型上摆臂的两个纵臂中部向下延伸方向对称设有两个支点，两个支点均通过铰链15铰接在第二连接件8的顶端作为一对活动支点，H型上摆臂的两个纵臂的一端分别通过铰链4与第一连接件3相铰接，另一端分别通过铰链10与两个摆杆12的一端相铰接。

如图7、图8、图9所示，下摆臂1的形状为H型，其中，H型下摆臂的一端分别通过铰链2与第一连接件3相铰接，另一端分别通过铰链16与第二连接件8相铰接。

上摆臂与下摆臂除了上述H型也可采用Y型等其他形状，仅需保证上摆臂运动时牵引两个摆杆12同步运动即可，具体的结构形状不影响实施。

本发明的主动悬架实现两条路径：(1)由上横臂与阻尼弹簧减震器传递车轮与车架间的运动，这条路径主要起被动隔振作用；(2)通过上横臂、主动控制系统、车架等传递车轮与车架间的运动，这条路径构成悬架的零输入主动控制系统具有实现悬架零输入主动控制的功能。

如图4所示，主动控制系统工作原理：滚珠丝杠托架11与滚珠丝杆螺母17一端相连，车架与电机19一端相连，滚珠丝杠螺母17与滚珠丝杠杆18之间的旋转副将滚珠丝杠托架11与车架之间的直线相对运动转化为电机19的旋转运动，电机19具有发电、耗能、存储能能量等多种功能。

如图5所示，电机19由等效内阻R、等效电感L、反电动势e_b、变电压电源v组成。该电机系统相当于可变电压源，既可存储能量又能向外输出能量，该电机19可采用目前常见的储能电机。

如图10所示，一种零输入载人月球车主动悬架控制方法，包括以下步骤：

步骤1：使用天棚阻尼控制法则确定理想主动控制输入力 k_sky为“天棚阻尼系数”，为悬架两端的相对速度，即阻尼弹簧减震器两端的相对速度，也可说成铰链10与铰链9之间的相对运动速度；

天棚阻尼系数k_sky是以电机19存储能量E为函数的表达式； $k_{sky}=\left\{\begin{array}{cc}{a}_1{E}^6+a_2{E}^5+a_3{E}^4+a_4{E}^3+a_5{E}^2+a_1& E<E_{th}\\ \mathrm{\&delta;}& E\&GreaterEqual;E_{th}\end{array}\right.,$ E_th为电机19存储能量预设上阈值，如电机19存储能量大于上阈值E_th，则天棚阻尼系数k_sky不变设置为δ，δ为最大天棚阻尼系数，E_th和δ取值与控制对象的惯性质量、刚度、阻尼有关，针对具体对象取值时要保证存储能量变化连续光滑，天棚阻尼系数k_sky选择依据是确保系统存储能量满足主动控制系统的作用要求；当系统存储能量E为零时，天棚阻尼系数k_sky为零；此外天棚阻尼系数k_sky满足二阶光滑变化，因此确定k_sky满足边界条件 $k_{sky}\left(0\right)=0,\frac{d\left(k_{sky}\right)}{dE}{|}_{E=0}=0,\frac{d^2{k}_{sky}}{{\mathrm{dE}}^2}{|}_{E=0}=0,k_{sky}\left(E_{th}\right)=\mathrm{\&delta;},$ $\frac{d\left(k_{sky}\right)}{dE}{|}_{E=E_{th}}=0,\frac{d^2\left(k_{sky}\right)}{{\mathrm{dE}}^2}{|}_{E=E_{th}}=0;$ 根据以上六个边界条件得到方程组

$\left\{\begin{array}{c}{a}_6=0\\ a_5=0\\ a_4=0\\ a_1{E}_{th}^5+a_2{E}_{th}^4+a_3{E}_{th}^3+a_4{E}_{th}^2+a_5{E}_{th}+a_6=\mathrm{\&delta;}\\ 5a_1{E}_{th}^4+4a_2{E}_{th}^3+3a_3{E}_{th}^2+2a_4{E}_{th}+5a_5=0\\ 20a_1{E}_{th}^3+12a_2{E}_{th}^2+6a_3{E}_{th}+2a_4=0\end{array}\right.$

联立求解得到棚阻尼系数k_sky表达式中的a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆六个系数，此种方式设置天棚阻尼系数目的是避免当载人月球车路面输入为低频信号，主动控制系统能量容易消耗尽，造成电机19两端作用电压V频繁的由0和电机两端理想作用电压V_des之间切换而造成载人月球车悬架性能恶化；

步骤2：然后根据表达式 $T_{des}=\frac{F_a^{des}}{k_l},I_{des}=\frac{T_{des}}{k_t}=\frac{F_a^{des}}{k_t{k}_l}$ 关系，计算电机19理想输出扭矩T_des和理想输出电流I_des；

步骤3：计算出电流误差ΔI，ΔI＝I_des-I，再根据关系式V_des＝-K_P+K_i·∫ΔI·dt通过PI(比例(Proportion)、积分(Integration))控制来控制电机19，使电机19实时输出电流I跟踪理想输出电流I_des，K_P为比例因子，K_i为积分常数，dt为积分步长，计算出电机两端理想作用电压V_des；

步骤4：然后通过电机19理想输出电流I_des与理想电压V_des计算出主动控制系统理想瞬时输出功率；

步骤5：根据主动控制系统理想瞬时输出功率P_des符号来判断主动控制系统所处状态并更新相应状态下主动控制系统的存储能量；

若P_des>0则判定主动控制系统为存储能量状态，则将电机19两端端电压V设定为理想作用电压V_des，由电机19电压V和实际工作电流I计算瞬时能量E_s，E_s＝V·I·ΔT，ΔT为主动控制系统更新一次的时间步长，再加上系统原剩余能量作为主动控制系统新的存储能量；

若P_des<0则判定主动控制系统为输出能量状态，则需先判定当前主动控制系统存储能量是否大于允许输出能量的下阈值E_min，E_min值设定是为了保证储能电机在任何状态具有一定能量，具体值由选择的储能电机性能确定；如果大于下阈值则允许主动控制系统输出能量，将电机系统19两端端电压V设定为理想电压V_des，由电机19两端端电压V和实际工作电流I计算瞬时能量E_s，E_s＝V·I·ΔT，ΔT为主动控制系统更新一次的时间步长，再加上系统原剩余能量作为主动控制系统新的存储能量。否则将电机19两端端电压V设定为零，主动控制系统存储能量不变；

步骤6：实时跟踪使载人月球车悬架的运动，重复循环执行步骤1-5，实现悬架零输入主动控制的功能。

注意在载人月球车开始运动阶段主动控制系统中的电机需要存储一定能量，否则会在载人月球车开始运动阶段由于主动控制系统能量不足导致启始运动阶段载人月球车平顺性能较差。

Claims (8)

1.一种零输入载人月球车主动悬架，包括下摆臂、上摆臂、两个阻尼弹簧减震器、两个摆杆、第一连接件和第二连接件，所述第一连接件用于连接主动悬架与车轮，所述第二连接件用于连接主动悬架与车架，其中，所述上摆臂的一端与第一连接件活动连接，另一端分别与两个摆杆的一端活动连接，且上摆臂运动时牵引两个摆杆同步运动；所述下摆臂的一端与第一连接件活动连接，另一端与第二连接件活动连接，其特征在于，还包括主动控制系统，所述主动控制系统包括滚珠丝杠托架、两个滑轨、滚珠丝杠螺母、滚珠丝杠杆和电机，两个滑轨平行固定于第二连接件上且两个滑轨上对称设置固定基座；

滚珠丝杠托架的两端分别设置在两根滑轨上并能够沿滑轨滑动，滚珠丝杠托架的中部固连滚珠丝杠螺母的上端，滚珠丝杠螺母的下端与滚珠丝杠杆的上端相连，滚珠丝杠杆的下端与电机的转轴相连，电机设置于车架上，所述电机为储能电机；

两个阻尼弹簧减震器的一端分别与两个摆杆的一端活动连接，另一端分别与两个固定基座活动连接；两个摆杆的另一端分别与滚珠丝杠托架的两端活动连接。

2.根据权利要求1所述的零输入载人月球车主动悬架，其特征在于，所述上摆臂的形状为H型，其中，H型上摆臂的两个纵臂中部向下延伸方向对称设有支点，两个支点均铰接在第二连接件的顶端作为一对活动支点，H型上摆臂的两个纵臂的一端均与第一连接件相铰接，另一端分别与两个摆杆的一端相铰接。

3.根据权利要求1所述的零输入载人月球车主动悬架，其特征在于，所述下摆臂为H型下摆臂。

4.根据权利要求1所述的零输入载人月球车主动悬架，其特征在于，滚珠丝杠托架为“几”字形托架。

5.根据权利要求1所述的零输入载人月球车主动悬架，其特征在于，所述活动连接均采用铰链方式连接。

6.根据权利要求1所述的零输入载人月球车主动悬架，其特征在于，两个滑轨的下端对称设置固定基座。

7.一种权利要求1-6中任意一项所述零输入载人月球车主动悬架的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、使用天棚阻尼控制法则确定理想主动控制输入力 k_sky为天棚阻尼系数，为阻尼弹簧减震器两端之间的相对运动速度；

步骤2：利用步骤1中获得的理想主动控制输入力计算电机理想输出扭矩T_des和理想输出电流I_des；

$T_{des}=\frac{F_a^{des}}{k_l},I_{des}=\frac{T_{des}}{k_t}=\frac{F_a^{des}}{k_t{k}_l},$

式中，k_l为滚珠丝杠杆的导程常数，k_t为电机的扭矩常数；

步骤3：利用步骤2中获得的电机理想输出电流I_des，计算出电流误差ΔI，ΔI＝I_des-I然后计算出电机两端理想作用电压V_des；

V_des＝-K_P+K_i·∫ΔI·dt，

式中，K_P为比例因子，K_i为积分常数，∫为积分符号，dt为积分步长，I为电机实时输出电流；

步骤4：通过电机理想输出电流I_des与电机两端理想作用电压V_des计算出主动控制系统理想瞬时输出功率P_des，P_des＝V_des·I_des；

步骤5、根据主动控制系统理想瞬时输出功率P_des符号来判断主动控制系统所处状态并更新相应状态下主动控制系统的存储能量；

若P_des>0则判定主动控制系统为存储能量状态，将电机两端端电压V设定为理想作用电压V_des，更新主动控制系统的存储能量，将瞬时能量E_s加上系统原剩余能量作为主动控制系统新的存储能量，其中，E_s＝V·I·ΔT，ΔT为主动控制系统更新一次的时间步长，执行步骤6；

若P_des<0则判定主动控制系统为输出能量状态，此时，判断当前主动控制系统存储能量是否大于允许输出能量的预设下阈值E_min，如果大于预设下阈值E_min则允许主动控制系统输出能量，将电机系统两端端电压V设定为理想电压V_des，更新主动控制系统的存储能量，将瞬时能量E_s加上系统原剩余能量作为主动控制系统新的存储能量，其中，E_s＝V·I·ΔT，ΔT为主动控制系统更新一次的时间步长，执行步骤6；否则将电机两端端电压V设定为零，主动控制系统存储能量不变，执行步骤6；

步骤6：实时跟踪零输入载人月球车主动悬架的运动，重复循环执行步骤1-5，实现悬架零输入主动控制的功能。

8.根据权利要求7所述控制方法，其特征在于，步骤1中天棚阻尼系数k_sky为以主动控制系统存储能量E为函数的表达式，该表达式具有二阶光滑特性；

$k_{sky}=\left\{\begin{array}{cc}{a}_1{E}^5+a_2{E}^4+a_3{E}^3+a_4{E}^2+a_{5}E+a_6& E<E_{th}\\ \mathrm{\&delta;}& E\&GreaterEqual;E_{th}\end{array}\right.$

E_th为系统存储能量的预设上阈值，δ为最大天棚阻尼系数；

利用下式联立求解出天棚阻尼系数k_sky表达式中的a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆六个系数

$\left\{\begin{array}{c}{a}_6=0\\ a_5=0\\ a_4=0\\ a_1{E}_{th}^5+a_2{E}_{th}^4+a_3{E}_{th}^3+a_4{E}_{th}^2+a_5{E}_{th}+a_6=\mathrm{\&delta;}\\ 5a_1{E}_{th}^4+4a_2{E}_{th}^3+3a_3{E}_{th}^2+2a_4{E}_{th}+5a_5=0\\ 20a_1{E}_{th}^3+12a_2{E}_{th}^2+6a_3{E}_{th}+2a_4=0\end{array}\right..$