CN104590040A - 一种用于极地科考的陆地翼帆车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于极地科考的陆地翼帆车。它包括车体骨架、前轮、后轮、伺服电机和舵机，其特征在于：有一个翼帆通过翼帆连接板和桅杆安装在所述车体骨架上，并用轴承进行转动连接，所述伺服电机和舵机也安装在车体骨架上；有两根钢丝绳的上下端分别连接翼帆顶端上的悬索增长杆和车体骨架上的悬索台；桅杆下端通过联轴器与所述伺服电机连接，由伺服电机驱动旋转；所述翼帆安装在桅杆上，随桅杆一起转动；所述伺服电机通过控制翼帆与风向之间的攻角而在风力推动下产生推力，为陆地翼帆车提供动力来源；所述舵机通过前轮转向传动机构控制两前轮转动，实现陆地翼帆车的航向自主控制。本发明具有结构简洁可靠，可扩展性强，续航能力强等特点，可广泛应用于极地科考。

Description

一种用于极地科考的陆地翼帆车

技术领域

本发明隶属于特种机器人领域，涉及的是一种机器人，具体涉及是一种用于极地科考的陆地翼帆车，依靠风力直接驱动，可用于极地未知恶劣环境下的科考工作，具有续航能力强，探索空间大等特点。

背景技术

    南北极等未知地域蕴藏着丰富的自然和科学资源。一方面，南北极冰雪覆盖区是整个地球系统的最大冷源，对全球的气候有着至关重要的影响；另一方面，其丰富的资源吸引着世界各国对南北极的考察与开发。但是极地环境恶劣，高寒低氧，极端天气等，随时都可能威胁科考人员的生命，极大地制约着人类科考活动的展开。如何在时间和空间领域进行更深层次的科学考察已经成为迫切需要解决的技术难题。极地探测机器人的提出，成为解决这一技术难题的一种思路。目前，南极机器人受限于所携带电池或燃料的数量，活动范围十分有限，尚不能实现较长时间、大范围的续航能力，因而仍不能满足南极科考的大时空续航能力的要求。

但是在南极，风力资源丰富，分布范围广、平均风速高。如果采用风能作为直接驱动能源，机器人的活动将不再受能源因素的制约，从而大大扩大活动范围和活动时间，甚至实现机器人在冰盖中的“无限”续航探测。南极风大（常常会超出现有风力发电的适用工作风速范围）、风力发电效率低这两大因素制约了风力发电技术在极地探测机器人上的应用。风力直接驱动的陆地翼帆车将致力于风能在极地科考中的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述极地科考中存在的问题，提出了一种用于极地科考的陆地翼帆车，依靠风力直接驱动，依靠舵机对翼帆车航向进行控制，具有大时空续航、绿色环保等特点。

为了达到上述要求，本发明的构思是：

    本发明通过翼帆产生系统的驱动力，四轮机构进行移动。前端两个导向轮通过平行四边形连接机构构成双前轮转向机构，后端两轮间距大。由伺服电机和舵机分别控制翼帆和双前轮转向机构实现极地科考的自主巡航任务。该陆地翼帆车具有启动风速小、负载能力和系统稳定性高，运动不倾覆优点，自主控制性能高。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

    一种用于极地科考的陆地翼帆车，包括车体骨架、前轮、后轮、伺服电机和舵机，其特征在于有一个翼帆通过翼帆连接板和桅杆安装在车体骨架上，并用固定轴承进行固定，所述伺服电机和舵机也安装在所述车体骨架上；所述钢丝绳分别连接悬索增长杠和悬索台；桅杆通过联轴器与伺服电机连接，由伺服电机驱动旋转；所述翼帆安装在桅杆上，随桅杆一起转动；所述伺服电机通过控制翼帆与风之间的攻角产生推力，进而为陆地翼帆车提供动力来源；所述舵机通过双前轮转向传动机构控制前轮转动，实现陆地翼帆车的航向自主控制。

所述翼帆为单桅杆支撑刚性硬帆，是在所述桅杆上通过若干碳纤维管和翼帆连接板固定连接翼帆板构成；所述翼帆采用NACA0018翼型，紧贴翼帆板左右内壁对称装有10根碳纤维管，在桅杆周围均布安装4根碳纤维管；所述翼帆连接板通过四个螺钉固定后，采用方形孔轴与桅杆连接，保证翼帆的刚度与强度。

所述双前轮转向传动机构由固定轴、连杆轴、前轮连接件、转动关节和舵机传动杆组成；所述固定轴和连杆轴通过转动关节与前轮连接件相连，舵机与舵机传动杆相连，舵机可以驱动舵机传动杆，根据平行四边形机构原理控制前轮转动，实现陆地翼帆车的航向自主控制。

所述翼帆板采用树脂材料3D打印，能精准加工出NACA0018翼型要求，动力学特性良好，并用钢丝绳柔性连接，保证翼帆的稳定性。

所述车体骨架为框架式结构，在框架外部覆盖有保护车体内部控制和检测设备的盖板。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

    （1）本发明采用框架式结构，结构可靠简洁，外部覆盖有盖板，也能很好保护内部的控制和检测设备，内部空间可拓展性强。

    （2）本发明采用刚性翼帆吃风直接驱动，翼型不会随风力和风向的改变而改变，其空气动力性能好，升阻力系数稳定。与软性风帆相比，刚性翼帆的受风效率更高，侧向力小。且翼帆通过钢丝绳柔性连接在车体骨架上，保证了翼帆的稳定性。

    （3）本发明翼帆与伺服电机通过联轴器直接相连，减少了力传递中的能量损耗，实现了翼帆车的启动风速小、续航能力强的特点。而且可以通过控制翼帆与风之间的攻角来实现翼帆车的逆风行驶。

    （4）本发明利用舵机控制双前轮转向机构实现转弯，解决了翼帆车速度与航向耦合的问题，实现了翼帆车的自主巡航控制，前轮左右转向达到了±45°，且前轮两轮之间距离短，转弯半径小，而后轮之间距离大，增强了翼帆车的抗倾翻性能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的翼帆结构示意图。

图3是本发明的前轮结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明：

实施例一：

参见图1~图3，本用于极地科考的陆地翼帆车，包括车体骨架（4）、前轮（3）、后轮（5）、伺服电机（6）和舵机（7），其特征在于：有一个翼帆（2）通过一个翼帆连接板（14）和一根桅杆（12）安装在所述车体骨架（4）上，并用一个轴承（8）进行转动连接，所述伺服电机（6）和舵机（7）也安装在车体骨架（4）上；有两根钢丝绳（10）的上下端分别连接翼帆（2）顶端上的一个悬索增长杆（1）和车体骨架（4）上的一个悬索台（11）；桅杆（12）下端通过一个联轴器（9）与所述伺服电机（6）连接，由伺服电机（6）驱动旋转；所述翼帆（2）安装在桅杆（12）上，随桅杆（12）一起转动；所述伺服电机（6）通过控制翼帆（2）与风向之间的攻角而在风力推动下产生推力，为陆地翼帆车提供动力来源；所述舵机（7）通过一个前轮转向传动机构控制两前轮（3）转动，实现陆地翼帆车的航向自主控制。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述翼帆（2）为单桅杆支撑刚性硬帆，是在所述桅杆（12）上通过若干碳纤维管（13）和翼帆连接板（14）固定连接翼帆板（22）构成；所述翼帆（2）采用NACA0018翼型，紧贴翼帆板（22）左右内壁对称装有10根碳纤维管（13），在桅杆（12）周围均布安装4根碳纤维管（13）；所述翼帆连接板（14）通过四个螺钉（20）固定后，采用方形孔轴（21）与桅杆（12）连接，保证了翼帆（2）的刚度与强度。所述双前轮转向传动机构由一根固定轴（15）、一根连杆轴（16）、两个前轮连接件（17）、四个转动关节（18）和一根舵机传动杆（19）组成；所述固定轴（15）和连杆轴（16）通过转动关节（18）与前轮连接件（17）相铰连，两个前轮连接件（17）分别固定连接两个前轮（3）；舵机传动杆（19）的两端分别与固定轴（15）和连接杆（16）的中部相铰连；所述舵机（7）的输出轴下端与舵机传动杆（19）中心处的插槽相插接，舵机（7）驱动舵机传动杆（19）摆动面控制两前轮（3）转动，实现陆地翼帆车的航向自主控制。所述翼帆板（22）采用树脂材料3D打印，能精准加工出NACA0018翼型要求，动力学特性良好。

实施例三：

当陆地翼帆车处于自主巡航模式时，车体骨架（4）上安装的风速风向仪会实时检测出风力大小和方向，此时控制系统会根据风力大小和方向，通过伺服电机（7）改变翼帆（2）与风之间的夹角，调整到最佳攻角，提供最佳驱动力，保证巡航的速度大小 。而同时舵机（7）会根据目的地的轨迹规划要求，通过舵机传动杆（19），根据平行四边形连杆机构原理，控制前轮（3）的转动，前轮左右转向达到了±45°，且前轮两轮之间距离短，转弯半径小，而后轮之间距离大，增强了翼帆车的抗倾翻性能，能很好的完成轨迹规划的要求。

车体骨架（4）采用轻型铝型材框架式结构，框架结构既可以减轻重量又能保证强度，同时便于安装各种传感器、单片机、风速风向仪等控制系统设备，在框架外部有覆盖盖板，外形类似于船体形状，具有良好的空气动力学特性，风阻较小，减少了能量损耗。

陆地翼帆车采用刚性翼帆吃风直接驱动，翼型不会随风力和风向的改变而改变，其空气动力性能好，升阻力系数稳定。与软性风帆相比，刚性翼帆的受风效率更高，侧向力小。且翼帆通过钢丝绳柔性连接在车体骨架上，保证了翼帆的稳定性。翼帆与伺服电机通过联轴器直接相连，减少了力传递中的能量损耗，实现了翼帆车的启动风速小、续航能力强的特点。而且可以通过控制翼帆与风向之间的攻角来实现翼帆车的逆风行驶。

本发明将翼帆风力直接驱动的速度与航向耦合分开控制的解决方案，也实现了在极地科考中长时间、大空间续航的要求。且该陆地翼帆车结构简洁可靠，可扩展性强，安转多帆、各种检测设备方便，可广泛应用于极地环境下的科考工作，具有广阔的应用前景。

 以上具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落在本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于极地科考的陆地翼帆车，包括车体骨架（4）、前轮（3）、后轮（5）、伺服电机（6）和舵机（7），其特征在于：有一个翼帆（2）通过一个翼帆连接板（14）和一根桅杆（12）安装在所述车体骨架（4）上，并用一个轴承（8）进行转动连接，所述伺服电机（6）和舵机（7）也安装在车体骨架（4）上；有两根钢丝绳（10）的上下端分别连接翼帆（2）顶端上的一个悬索增长杆（1）和车体骨架（4）上的一个悬索台（11）；桅杆（12）下端通过一个联轴器（9）与所述伺服电机（6）连接，由伺服电机（6）驱动旋转；所述翼帆（2）安装在桅杆（12）上，随桅杆（12）一起转动；所述伺服电机（6）通过控制翼帆（2）与风向之间的攻角而在风力推动下产生推力，为陆地翼帆车提供动力来源；所述舵机（7）通过一个前轮转向传动机构控制两前轮（3）转动，实现陆地翼帆车的航向自主控制。

2.根据权利要求1所述的用于极地科考的陆地翼帆车，其特征在于：所述翼帆（2）为单桅杆支撑刚性硬帆，是在所述桅杆（12）上通过若干碳纤维管（13）和翼帆连接板（14）固定连接翼帆板（22）构成；所述翼帆（2）采用NACA0018翼型，紧贴翼帆板（22）左右内壁对称装有10根碳纤维管（13），在桅杆（12）周围均布安装4根碳纤维管（13）；所述翼帆连接板（14）通过四个螺钉（20）固定后，采用方形孔轴（21）与桅杆（12）连接，保证了翼帆（2）的刚度与强度。

3.根据权利要求1所述的用于极地科考的陆地翼帆车，其特征在于：所述双前轮转向传动机构由一根固定轴（15）、一根连杆轴（16）、两个前轮连接件（17）、四个转动关节（18）和一根舵机传动杆（19）组成；所述固定轴（15）和连杆轴（16）通过转动关节（18）与前轮连接件（17）相铰连，两个前轮连接件（17）分别固定连接两个前轮（3）；舵机传动杆（19）的两端分别与固定轴（15）和连接杆（16）的中部相铰连；所述舵机（7）的输出轴下端与舵机传动杆（19）中心处的插槽相插接，舵机（7）驱动舵机传动杆（19）摆动面控制两前轮（3）转动，实现陆地翼帆车的航向自主控制。

4.根据权利要求1或2所述的用于极地科考的陆地翼帆车，其特征在于：所述翼帆板（22）采用树脂材料3D打印，能精准加工出NACA0018翼型要求，动力学特性良好。