CN105015294B - 一种主动悬架机构及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动悬架机构及控制方法，自动悬架机构将现有的主摇臂拆分为前半臂和后半臂，并通过张角调节机构连接在一起，同时通过张角调节机构控制实现悬架高低的变化，其中，降低车体有利于减小车体所占用的运载空间，有利于车体与运载平台的压紧固定，也有利于增加车体的静止、运动稳定性；同时车体升高的实现，有利于避免车体与地面凸起障碍接触；同时配合制动器的开合以及车轮的协调运动，实现车体的升降、各车轮的抬起以及整车的蠕动前进、后退；当车轮下陷后，可以通过控制张角调整机构及制动器，将车轮抬升离地，使车轮脱陷；当巡视器车体被石块卡住后，可以通过控制张角调整机构将车体抬升。
Description
技术领域
本发明涉及航天器控制技术领域，尤其涉及一种主动悬架机构及控制方法。
背景技术
巡视器所处的行驶环境比较恶劣，需要具有较高的通过能力。现有的巡视器悬架机构，主要以美国勇气号火星巡视器的摇臂悬架为主。该悬架由一个主摇臂A和一个副摇臂B铰接而成，其悬架结构如图1所示。悬架主摇臂A与前轮D相连，副摇臂B与中轮E和后轮F相连，左右两侧悬架分别与车体上的差速机构C相连。该火星巡视器于2004年1月3日成功登陆火星，在火星工作期间，曾因车轮下陷而最终丧失移动能力，被迫结束使命。
火星表面石块较多，其中大于0.2m～0.5m石块的覆盖率为1％，石块的覆盖率为月球的两倍，易使巡视器受到卡滞，同时火星表面土壤存在表面坚硬、里层松软情况，可能导致巡视器车轮下陷(如勇气号火星巡视器)，这些特殊环境对传统被动式巡视器悬架机构提出了挑战，需要研发主动式的巡视器悬架机构，在出现石块卡住车体底部、车轮下陷等危险情况后，能够通过悬架的变形，提高脱困能力。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可实现自动升降、脱困以及蠕动的主动悬架机构及控制方法。
本发明的一种主动悬架机构，包括对称布置在车体两侧且通过差速机构相连的悬架分机构，悬架分机构包括主摇臂、副摇臂、前轮、中轮和后轮；主摇臂的一端与前轮相连，主摇臂的另一端与副摇臂相连；副摇臂的两端分别连接中轮和后轮；其特征在于，所述主摇臂包括前半臂和后半臂，前半臂的一端连接所述前轮，另一端通过张角调节机构连接后半臂的一端，后半臂的另一端连接所述副摇臂；
所述张角调节机构用于调节所述前半臂与后半臂之间的夹角。
进一步的，所述主摇臂的后半臂与副摇臂互相铰接，并在铰接点设置制动器；所述制动器用于控制副摇臂绕所述铰接轴转动或不动。
进一步的，所述差速机构包括差速器和两个差速轴；所述差速器固定在车体底部的中间位置，差速器两侧各连接一个差速轴；所述张角调节机构包括第一轴承、第二轴承、第一驱动机构，第二驱动机构；
所述第二驱动机构的圆柱状本体通过第二轴承与车体活动连接；第二驱动机构输出轴沿与同侧的差速轴相同方向与其固连，所述后半臂固连在第二驱动机构的本体上；
所述第一驱动机构的圆柱状本体通过第一轴承安装在所述第二驱动结构的本体内，第一驱动机构输出轴沿所述差速轴方向固定在第二驱动机构本体上；所述前半臂固连在第一驱动机构本体上。
本发明的一种主动悬架机构的升降控制方法，包括：
在主动悬架标称状态下，控制制动器不工作，即使副摇臂可相对于后半臂转动；
然后，分别控制第一驱动机构和第二驱动机构转动，使前半臂和后半臂之间的夹角增加，实现车体降低；
同理，控制第一驱动机构和第二驱动机构转动，使所述前半臂与后半臂夹角减小，实现车体升高。
本发明的一种主动悬架机构的升降控制方法，包括：在主动悬架标称状态下，控制制动器工作，即保持副摇臂相对于后半臂不动，控制第一驱动机构和第二驱动机构转动，使前半臂与后半臂夹角增加，当车体质心位于中轮后方，则实现前轮抬升；当第一驱动机构质心位于中轮前方，则实现后轮抬升；在主动悬架标称状态下，控制制动器工作，然后再控制第一驱动机构和第二驱动机构转动，使前半臂与后半臂夹角减小，从而实现中轮抬升。
本发明的一种主动悬架机构的升降控制方法，包括：
S61、在主动悬架标称状态下，控制第一驱动机构和第二驱动机构转动，使前半臂与后半臂夹角减小，同时控制前轮不转动以及中轮和后轮向前转动，如此实现中轮和后轮向前移动且车体抬升；
S62、控制第一驱动机构和第二驱动机构转动，使前半臂与后半臂夹角增加，同时前轮向前滚动，中轮和后轮不动，如此前轮向前移动，中轮、后轮未移动，且导致车体降低；
S63、控制第一驱动机构和第二驱动机构转动，使前半臂与后半臂夹角减小，同时前轮不动，中轮和后轮向前滚动，如此导致前轮未移动，中轮、后轮向前移动，车体抬升；
S64、重复执行步骤S61至S63，实现车体的蠕动。
本发明具有如下有益效果：
本发明的自动悬架机构将现有的主摇臂拆分为前半臂和后半臂，并通过张角调节机构连接在一起，同时通过张角调节机构控制实现悬架高低的变化，其中，降低车体有利于减小车体所占用的运载空间，有利于车体与运载平台的压紧固定，也有利于增加车体的静止、运动稳定性；同时车体升高的实现，有利于避免车体与地面凸起障碍接触。
本发明同时配合制动器的开合以及车轮的协调运动，实现车体的升降、各车轮的抬起以及整车的蠕动前进、后退。当车轮下陷后，可以通过控制张角调整机构及制动器，将车轮抬升离地，使车轮脱陷；当巡视器车体被石块卡住后，可以通过控制张角调整机构将车体抬升；此外，也可以通过控制张角调节机构，实现车体折叠或降低车体高度，有利于提高车体爬坡时的稳定性。
本发明相对其他类型的车辆主动式悬挂机构具有结构简单、控制便利、功能多样等特点。
附图说明
图1为现有的摇臂悬架结构示意图；
图2为本发明主动悬架结构示意图-侧视图；
图3为本发明主动悬架结构示意图-俯视图；
图4为本发明主动悬架张角调节机构示意图；
图5为本发明主动悬架升降示意图；
图6为本发明主动悬架抬轮示意图；
图7为本发明主动悬架蠕动示意图；
图8为本发明主动悬架正常运动与蠕动时受力情况示意图。
其中，1-前轮、2-主摇臂、3-前半臂、4-中轮、5-张角调节机构、6-后半臂、7-制动器、8-副摇臂、9-后轮、10-差速器、11-差动轴、12-第一轴承、13-第二轴承、14-第一驱动机构、15-第二驱动机构、16-第一驱动机构输出轴、17-第二驱动机构输出轴、18-车体、19-差速机构。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图2、图3、图4所示，本发明的主动悬架机构，主要由前半臂3、后半臂6、副摇臂8、张角调节机构5、制动器7及差速器10组成。两侧悬架机构在车体18两侧对称布置。一侧悬架中，主摇臂2分为前半臂3与后半臂6，前半臂3前端与前轮1连接，前半臂3的一端连接前轮1，另一端通过张角调节机构5连接后半臂6的一端，后半臂6的另一端连接所述副摇臂8。张角调节机构5可调节所述前半臂3与后半臂6之间的夹角。
后半臂6后端与副摇臂8铰接，并在铰接点设置制动器7，制动器7不作用时，后半臂6与副摇臂8间具有一个沿铰接轴的转动的自由度，制动器7作用时，后半臂6与副摇臂8固定为一根刚体。
差速机构19包括差速器10和两个差速轴11；差速器10固定在车体18底部的中间位置，差速器10两侧各连接一个差速轴11；张角调节机构5包括第一轴承12、第二轴承13、第一驱动机构14，第二驱动机构15。第二驱动机构15的圆柱状本体通过第二轴承13与车体18活动连接；第二驱动机构输出轴17沿与同侧的差速轴11相同方向与其固连，后半臂6固连在第二驱动机构15的本体上。第一驱动机构14的圆柱状本体通过第一轴承12安装在所述第二驱动结构15的本体内，第一驱动机构输出轴16沿所述差速轴11方向固定在第二驱动机构15本体上；所述前半臂3固连在第一驱动机构14本体上。
通过驱动机构14、15的转动，调整前半臂3、后半臂6与差动轴11的转角，从而使前半臂3与后半臂6夹角变化，从而改变主摇臂2的构型，实现悬架的高度变化。通过分别控制驱动机构构14、15转角比例，实现在悬架变形运动过程中，差速轴11不发生转动，从而实现车体仅产生高低方向的平动，而不发生俯仰运动。
本发明主动悬架机构的抬升、降低过程如图5所示。图5Ⅰ为主动悬架标称状态，在保持制动器7不工作的前提下，通过控制张角调整机构驱动机构14和15转角，使前半臂3与后半臂6夹角增加，如图5Ⅱ所示，实现车体18降低，有利于减小巡视器所占用的运载空间，有利于巡视器与运载平台的压紧固定，也有利于增加巡视器的静止、运动稳定性。通过控制驱动机构14和15转角，使前半臂3与后半臂6夹角减小，如图5Ⅲ所示，实现车体18升高，有利于避免车体18与地面凸起障碍接触。
本发明主动悬架机构的车轮抬起过程如图6所示。在主动悬架标称状态下(参见图5Ⅰ)，制动器7工作，将主、副摇臂8固连，此后控制驱动机构14和15，使前半臂3与后半臂6夹角增加，如设置车体18质心位于中轮4后方，则实现前轮1抬升，如图6Ⅰ所示，如设置车体18质心位于中轮4前方，则实现后轮9抬升，如图6Ⅲ所示；在主动悬架标称状态下(参见图5Ⅰ)，制动器7工作，将后半臂6与副摇臂8固连，此后控制驱动机构14和15，使前半臂3与后半臂6夹角减小，从而实现中轮4抬升，如图6Ⅱ所示。
本发明主动悬架机构的巡视器蠕动效果如图7所示。在主动悬架标称状态下，控制驱动机构14和15，使前半臂3与后半臂6夹角减小，同时前轮1不动，中轮4和后轮9向前滚动，如图7Ⅰ所示，运动后，前轮1未移动，中轮4、后轮9向前移动一段距离，车体18抬升，效果如图7Ⅱ所示；在图7Ⅱ状态下，控制驱动机构14和15，使前半臂3与后半臂6夹角增加，同时前轮1向前滚动，中轮4和后轮9不动，如图7Ⅲ所示，运动后，前轮1向前移动一段距离，中轮4、后轮9未移动，车体18降低，效果如图7Ⅳ所示；在图7Ⅳ状态下，控制驱动机构14和15，使前半臂3与后半臂6夹角减小，同时前轮1不动，中轮4和后轮9向前滚动，如图7Ⅴ所示，运动后，前轮1未移动，中轮4、后轮9向前移动一段距离，车体18抬升，效果如图7Ⅵ所示；往复上述运动，实现巡视器蠕动。巡视器蠕动能够使车轮产生更大的牵引力，有利于提高巡视器的爬坡、通过松软土壤的能力，也有利于在巡视器车轮下陷后，增加脱险的可能性。
巡视器蠕动时车轮产生的牵引力大于正常行驶时车轮产生的牵引力，证明如下：
根据车轮地面力学原理，巡视器车轮产生的牵引力Fx等于地面对车轮的驱动力Ft(由地面摩擦产生)减去车轮受到的滚动阻力Ff。
巡视器在正常行驶时，各车轮受力情况如图8Ⅰ所示，此时巡视器车轮产生的牵引力Fx＝F1t+F2t+F3t－F1f－F2f－F3f。
巡视器在蠕动时，部分车轮相对地面静止，静止的车轮无滚动阻力Ff，此时各车轮受力如图8Ⅱ、图8Ⅲ所示。图8Ⅱ为前轮不动，中后轮向前运动，此时巡视器车轮产生的牵引力Fx＝F1t+F2t+F3t－F2f－F3f，相比巡视器正常行驶状态，车轮产生的牵引力增加了F1f。图8Ⅲ为中、后轮不动，前轮向前运动，此时巡视器车轮产生的牵引力Fx＝F1t+F2t+F3t－F1f，相比巡视器正常行驶状态，车轮产生的牵引力增加了F2f+F3f。
由上述分析可知，蠕动时巡视器能够产生更大的牵引力。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种主动悬架机构，包括对称布置在车体(18)两侧且通过差速机构(19)相连的悬架分机构，悬架分机构包括主摇臂(2)、副摇臂(8)、前轮(1)、中轮(4)和后轮(9)；主摇臂(2)的一端与前轮(1)相连，主摇臂(2)的另一端与副摇臂(8)相连；副摇臂(8)的两端分别连接中轮(4)和后轮(9)；其特征在于，所述主摇臂(2)包括前半臂(3)和后半臂(6)，前半臂(3)的一端连接所述前轮(1)，另一端通过张角调节机构(5)连接后半臂(6)的一端，后半臂(6)的另一端连接所述副摇臂(8)；
所述张角调节机构(5)用于调节所述前半臂(3)与后半臂(6)之间的夹角；所述主摇臂(2)的后半臂(6)与副摇臂(8)互相铰接，并在铰接点设置制动器(7)；所述制动器(7)用于控制副摇臂(8)绕所述铰接轴转动或不动；
所述差速机构(19)包括差速器(10)和两个差速轴(11)；所述差速器(10)固定在车体(18)底部的中间位置，差速器(10)两侧各连接一个差速轴(11)；所述张角调节机构(5)包括第一轴承(12)、第二轴承(13)、第一驱动机构(14)，第二驱动机构(15)；
所述第二驱动机构(15)的圆柱状本体通过第二轴承(13)与车体(18)活动连接；第二驱动机构输出轴(17)沿与同侧的差速轴(11)相同方向与其固连，所述后半臂(6)固连在第二驱动机构(15)的本体上；
所述第一驱动机构(14)的圆柱状本体通过第一轴承(12)安装在所述第二驱动结构(15)的本体内，第一驱动机构输出轴(16)沿所述差速轴(11)方向固定在第二驱动机构(15)本体上；所述前半臂(3)固连在第一驱动机构(14)本体上。
2.一种基于权利要求1所述的主动悬架机构的升降控制方法，其特征在于：
在主动悬架标称状态下，控制制动器(7)不工作，即使副摇臂(8)可相对于后半臂(6)转动；
然后，分别控制第一驱动机构(14)和第二驱动机构(15)转动，使前半臂(3)和后半臂(6)之间的夹角增加，实现车体(18)降低；
同理，控制第一驱动机构(14)和第二驱动机构(15)转动，使所述前半臂(3)与后半臂(6)夹角减小，实现车体(18)升高。
3.一种基于权利要求1所述的主动悬架机构的车轮抬升控制方法，其特征在于，在主动悬架标称状态下，控制制动器(7)工作，即保持副摇臂(8)相对于后半臂不动，控制第一驱动机构(14)和第二驱动机构(15)转动，使前半臂(3)与后半臂夹角增加，当车体(18)质心位于中轮(4)后方，则实现前轮(1)抬升；当第一驱动机构(14)质心位于中轮(4)前方，则实现后轮(9)抬升；在主动悬架标称状态下，控制制动器(7)工作，然后再控制第一驱动机构(14)和第二驱动机构(15)转动，使前半臂(3)与后半臂(6)夹角减小，从而实现中轮(4)抬升。
4.一种基于权利要求1所述的主动悬架机构的蠕动控制方法，其特征在于，
S61、在主动悬架标称状态下，控制第一驱动机构(14)和第二驱动机构(15)转动，使前半臂(3)与后半臂(6)夹角减小，同时控制前轮(1)不转动以及中轮(4)和后轮(9)向前转动，如此实现中轮(4)和后轮(9)向前移动且车体(18)抬升；
S62、控制第一驱动机构(14)和第二驱动机构(15)转动，使前半臂(3)与后半臂(6)夹角增加，同时前轮(1)向前滚动，中轮(4)和后轮(9)不动，如此前轮(1)向前移动，中轮(4)、后轮(9)未移动，且导致车体(18)降低；
S63、控制第一驱动机构(14)和第二驱动机构(15)转动，使前半臂(3)与后半臂(6)夹角减小，同时前轮(1)不动，中轮(4)和后轮(9)向前滚动，如此导致前轮(1)未移动，中轮(4)、后轮(9)向前移动，车体(18)抬升；
S64、重复执行步骤S61至S63，实现车体(18)的蠕动。
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