CN107380289B - 一种自动跟随越障车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动跟随越障车，包括至少一个内行星式复合轮系单元，所述内行星式复合轮系单元包括：一内齿圈，其设置于一轮胎内表面，并与所述轮胎同速转动；一主承重轮，所述主承重轮同轴设置有与所述内齿圈相啮合的齿轮，所述主承重轮能够绕所述轮胎的内表面滚动滑行；一动力装置，其用于驱动传力机构，并将转动力传递给所述主承重轮与所述齿轮；所述主承重轮及所述齿轮通过一销轴与外部载荷连接。所述自动跟随越障车结构能够有效的实现带载越障，对运载过程路面条件要求较低，带载重量也较高，具有优良的性能。

Description

一种自动跟随越障车

技术领域

本发明涉及无人驾驶车领域，尤其涉及一种自动跟随越障车。

背景技术

传统的机器小车因为结构简单和运动方式单一的限制，都只能完成简单的平路移动，采用传统万向轮结构的越障性能以及稳定运载能力都较差，对路面环境要求较高，难以翻越的地形，如多层阶梯。在地面环境复杂，地形特点多样的情况下，一般的四驱车和履带车根本无法完成越障要求。国内外已有的越障小车，多数为手动助力或者手动控制的电动助力，在原理上不能实现自动搬运，功能不够完善。且现有的产品如视觉跟随小车，采用类似的视觉标定目标，并跟随目标，但是在对于场地的适应能力非常有限，只能在地面环境较好的条件下工作。因此急需提供一种具有越障功能的机构，以及配合该机构设计的多地形适用的越障车，具有良好的稳定运载能力，能够实现自动跟随等特性。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用的技术方案在于，提供一种自动跟随越障车，包括至少一个内行星式复合轮系单元，所述内行星式复合轮系单元包括：

一内齿圈，其设置于一轮胎内表面，并与所述轮胎同速转动；

一主承重轮，所述主承重轮同轴设置有与所述内齿圈相啮合的齿轮，所述主承重轮能够绕所述轮胎的内表面滚动滑行；

一动力装置，其用于驱动传力机构，并将转动力传递给所述主承重轮与所述齿轮；

所述主承重轮及所述齿轮通过一销轴与外部载荷连接。

较佳的，静止状态时，在所述外部载荷的重力作用下，所述主承重轮与所述齿轮位于与所述轮胎内表面的最低点，所述动力装置将转动力传递给所述主承重轮与所述齿轮，所述齿轮带动与之相啮合的所述内齿圈，进一步的，所述内齿圈转动，将带动所述轮胎转动；当所述轮胎遇到障碍时，所述轮胎停止转动，进而所述内齿圈停止转动，在此种情况下，所述齿轮在所述动力装置的驱动下继续转动，并绕所述内齿圈进行公转，所述主承重轮与所述辅轮绕所述内表面走行，从而抬高所述销轴的高度，进一步抬高所述外部载荷的重心高度。

较佳的，所述自动跟随越障车还包括一车架，所述车架上连接有2n对所述内行星式复合轮系单元，其中，n为大于等于2的正整数。

较佳的，所述自动跟随越障车还包括一中控单元，所述中控单元包括：一中央处理模块；一电机测速模块，其将电机速度反馈到所述中央处理模块中。

较佳的，所述中控单元还包括至少一限位模块，所述限位模块包括至少一个限位开关；所述限位开关放置于所述主承重轮轴心与垂直方向夹角为90°至180°之间。

较佳的，所述自动跟随越障车还包括至少一视觉定位单元，其用于锁定与跟随固定目标。

较佳的，所述主承重轮与至少两个辅轮共同设置于一行星轮架上，所述主承重轮与所述辅轮均能绕各自与所述行星轮架的销接轴进行自转，且所述主承重轮与所述辅轮能够绕所述轮胎的内表面公转。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1、采用内齿圈与轮胎固定设计且同速转动的形式，配合主承重轮与齿轮固定设置且同速转动的形式，能够很好的实现，在所述轮胎遇到障碍时，所述齿轮在所述动力装置的驱动下继续转动，并克服外部载荷的重力，绕所述内齿圈进行公转，从而抬高所述销轴的高度，进一步抬高所述外部载荷的重心高度，即实现了轮胎在正常路况下的走行需求，又巧妙的解决了遇到障碍时自动越障的需求，无需频繁切换动力输出状态；2、主承重轮在翻越过障碍后，会同步恢复到轮胎内表面底部，该轮系在减轻上下楼梯的颠簸的同时减少了货物重心的高度变化，具有极好的越障性能与运载稳定性；3、所述电机测速模块采用霍尔元件测速模块，使电路简单，不增加车轮的负担，成本较低，且受环境因素影响较小；4、在所述主承重轮绕所述内表面走行的极限位置放置限位开关，其功能有两个：一是限制所述主承重轮绕所述轮胎内表面空转动做无用功，二是向所述中央处理模块发送中断信号，停止遇到障碍的所述内行星式复合轮系单元的电机转动，并触发其余三个所述内行星式复合轮系单元增大输出功率；5、所述自动跟随越障车结构能够有效的实现带载越障，对运载过程路面条件要求较低，带载重量也较高，具有优良的性能；6、所述视觉定位单元锁定目标以后，将识别的目标位置信息反馈到中控单元中，实时调整该车的运动速度和方向，实现对目标的跟随；7、所述自动跟随越障车同时具有越障和自动跟随功能，大大减轻了操作人员的劳动强度，充分满足多元化需求。

附图说明

图1为本发明自动跟随越障车的整体结构示意图；

图2为本发明内行星式复合轮系单元安装在自动跟随越障车上的结构图；

图3为本发明内行星式复合轮系单元的结构示意图一；

图4为本发明内行星式复合轮系单元的结构示意图二；

图5为本发明内齿圈与轮胎的位置结构示意图；

图6为本发明内行星式复合轮系单元去除轮胎后的示意图；

图7a为本发明自动跟随越障车在平地行驶时的原理示意图；

图7b为本发明自动跟随越障车前轮遇到障碍时的原理示意图；

图7c为本发明自动跟随越障车前轮翻越障碍时的原理示意图；

图7d为本发明自动跟随越障车前轮翻越障碍后继续行驶的原理示意图；

图7e为本发明自动跟随越障车后轮遇到障碍时的原理示意图；

图7f为本发明自动跟随越障车后轮翻越障碍时的原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

如图1所示，本发明提供一种自动跟随越障车，其用于在多路况下自动跟随目标进行移动，其包括至少一个内行星式复合轮系单元1，所述内行星式复合轮系单元1用于进行行走并在遇障时进行障碍翻越。

结合图2至图6所示，所述内行星式复合轮系单元1包括：

一内齿圈18，其设置于一轮胎19内表面，并与所述轮胎19同速转动；

一主承重轮11，所述主承重轮11同轴设置有与所述内齿圈相啮合的齿轮111，所述主承重轮11与所述齿轮111同速转动，所述主承重轮11能够绕所述轮胎19的内表面191滚动滑行，与此同时，所述齿轮111相对所述内齿圈18转动；

一动力装置16，其用于驱动传力机构，并将转动力传递给所述主承重轮11与所述齿轮111，所述齿轮111带动与之相啮合的所述内齿圈18，进一步的，所述内齿圈18转动，将带动所述轮胎19转动，此时所述主承重轮11绕所述轮胎19的内表面191滚动滑行；

更进一步的，当所述轮胎19遇到障碍时，所述轮胎19停止转动，进而所述内齿圈18停止转动，在此种情况下，所述齿轮111在所述动力装置16的驱动下绕所述内齿圈18进行公转，此时所述主承重轮11绕所述轮胎19的内表面191滚动滑行，逐步抬升所述主承重轮11相对于水平面的高度。

较佳的，所述主承重轮11与至少两个辅轮17共同设置于一行星轮架15上，所述主承重轮11与所述辅轮17均能绕各自与所述行星轮架15的销接轴进行自转，且所述主承重轮11与所述辅轮17能够绕所述轮胎19的内表面191公转；

所述主承重轮11及所述齿轮111通过一销轴12与外部载荷连接，所述主承重轮11与所述齿轮111能够绕所述销轴12自由转动，所述销轴12同样能够相对于所述外部载荷自由转动；

静止状态时，在所述外部载荷的重力作用下，所述主承重轮11与所述齿轮111位于与所述轮胎19内表面191的最低点，所述动力装置16将转动力传递给所述主承重轮11与所述齿轮111，此时在所述外部载荷的重力作用下，所述主承重轮11与所述齿轮111仍处于所述内表面191的最低点，仅绕所述销轴12自转，所述齿轮111带动与之相啮合的所述内齿圈18，进一步的，所述内齿圈18转动，将带动所述轮胎19转动；

当所述轮胎19遇到障碍时，所述轮胎19停止转动，进而所述内齿圈18停止转动，在此种情况下，所述齿轮111在所述动力装置16的驱动下继续转动，但由于所述内齿圈18停止转动，所述齿轮111开始克服所述外部载荷的重力，绕所述内齿圈18进行公转，所述主承重轮11与所述辅轮17绕所述内表面191走行，从而抬高所述销轴12的高度，进一步抬高所述外部载荷的重心高度。

较佳的，所述传力机构包括一第一传动齿轮14及一第二传动齿轮13，所述第二传动齿轮13与所述销轴12可转动连接，所述外部载荷与所述第二传动齿轮13可转动连接。

较佳的，所述主承重轮11与所述辅轮17均由同轴设置的两个轮子构成，所述齿轮111位于所述两个轮子的中间位置。

较佳的，所述动力装置16包括电机、发动机。

实施例二

如上述所述的自动跟随越障车，本实施例与其不同之处在于，所述自动跟随越障车还包括一车架3，所述车架3上连接有四组所述内行星式复合轮系单元1，四组所述内行星式复合轮系单元1分别置于所述车架3的四角，从而构成一个基本的车的构造。

较佳的，所述车架3设置有货架32，所述货架32能够承载货物。

较佳的，所述车架3设置有悬挂装置31，所述悬挂装置31对所述货架32起到减震缓冲的作用，减小货物的颠簸。

较佳的，四组所述内行星式复合轮系单元1各自独立驱动并各自加装所述悬挂装置31。

较佳的，所述外部载荷包括所述车架3、所述货架32以及货物。

实施例三

如上述所述的自动跟随越障车，本实施例与其不同之处在于，结合图7a至图7f所示，所述自动跟随越障车能够实现越障功能。以爬升台阶为例，其具体爬楼过程如下：

如图7a所示，在平地上时，由于所述外部载荷的重力作用，四组所述内行星式复合轮系单元1的所述主承重轮11与所述齿轮111位于与所述轮胎19内表面191的最低点，所述主承重轮11圆心与所述轮胎19的圆心的连线近似垂直于地面；

如图7b所示，当两组位于前部的所述内行星式复合轮系单元1遇到障碍时，所述轮胎19停止转动，进而所述内齿圈18停止转动，在此种情况下，所述齿轮111在所述动力装置16的驱动下继续转动，由于所述内齿圈18停止转动，所述齿轮111开始克服所述外部载荷的重力，绕所述内齿圈18进行公转，所述主承重轮11与所述辅轮17绕所述内表面191走行，从而抬高所述销轴12的高度，进一步抬高所述外部载荷的重心高度；位于后部的两组所述内行星式复合轮系单元1依旧保持原状态向前运动；

如图7c所示，当所述主承重轮11沿所述内表面191走行到台阶高度相同的位置时，所述主承重轮11为所述轮胎19提供一个支点，在位于后部的两组所述内行星式复合轮系单元1的推动作用下，位于前部的两组所述内行星式复合轮系单元1完成所述轮胎19的翻升，所述主承重轮11随所述轮胎19一起上升到台阶上，并在所述外部载荷的重力作用下，逐步回落至所述内表面191的最低点；

如图7d、图7e所示，所述自动跟随越障车继续走行，当位于后部的两组所述内行星式复合轮系单元1遇到台阶时，位于后部的两组所述内行星式复合轮系单元1重复之前位于前部的两组所述内行星式复合轮系单元1遇到台阶时的动作，即，位于后部的两组所述内行星式复合轮系单元1的所述轮胎19停止转动，进而所述内齿圈18停止转动，所述齿轮111在所述动力装置16的驱动下继续转动，由于所述内齿圈18停止转动，所述齿轮111开始克服所述外部载荷的重力，绕所述内齿圈18进行公转，所述主承重轮11与所述辅轮17绕所述内表面191走行，从而抬高所述销轴12的高度，抬高所述外部载荷的重心高度；

如图7f所示，当位于后部的两组所述内行星式复合轮系单元1的所述主承重轮11沿所述内表面191走行到台阶高度相同的位置时，所述主承重轮11为所述轮胎19提供一个支点，在位于前部的两组所述内行星式复合轮系单元1的拉力作用下，位于后部的两组所述内行星式复合轮系单元1完成所述轮胎19的翻升，所述主承重轮11随所述轮胎19一起上升到台阶上，并在所述外部载荷的重力作用下，逐步回落至所述内表面191的最低点。

此时，所述自动跟随越障车完成越障动作。

实施例四

如上述所述的自动跟随越障车，本实施例与其不同之处在于，所述自动跟随越障车还包括一中控单元，其用于控制所述自动跟随越障车的电器部分；

所述中控单元包括：

一中央处理模块；

一电机测速模块，所述电机测速模块将电机速度转换成脉冲频率反馈到所述中央处理模块中，实现转速闭环控制，达到转速无静差调节的目的。

由于所述中控单元是一闭环控制系统，在调节过程中需要将设定与当前实际转速进行比较，所以必须要测得电机的转速。

较佳的，所述中央处理模块以STM32单片机为控制核心，该单片机具有丰富的外设以及优秀的性能，可以满足四轮车控制的需求；所述中央处理模块产生12路占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲通过所述电机测速模块的驱动实现对电机转速的精准控制；

较佳的，所述电机测速模块包括霍尔元件测速模块，使用STM32单片机PWM输入捕获模式，测得PWM脉冲频率，从而获得电机的转速，采用所述霍尔元件测速模块设计电路简单，不增加车轮的负担，成本较低，且受环境因素影响较小。

所述霍尔元件测速模块内部由三片霍尔金属板组成。磁体在所述霍尔金属板组成的电路的有效距离内通过，当磁铁正对所述霍尔金属板时，由于霍尔效应，所述霍尔金属板发生横向导通，所述霍尔金属板组成的电路产生脉冲信号；根据被测量体上固定相应的磁体个数，测量该电路的脉冲个数得到转速、角速度。

较佳的，所述电机测速模块还包括对射式光电传感器。其检测方式为：发光二极管和光敏电阻相互对射安装，光敏电阻的阻值受光的影响很大。当发光二极管的光直接对准光敏电阻，传感器输出高电平，当码盘挡住光束时，传感器输出低电平，这样在电机转动的情况下，便产生一定频率的PWM波。通过脉冲计数，对速度进行测量。

较佳的，所述电机测速模块还包括测速发电机，将测速发电机固定在直流电机的轴上，当直流电机转动时，带动测速电机的轴一起转动，因此测速发电机会产生大小随直流电机转速大小变化的感应电动势，精度较高。

实施例五

如上述所述的自动跟随越障车，本实施例与其不同之处在于，所述中控单元还包括至少一限位模块，所述限位模块包括至少一个限位开关；

当障碍较高时，单个轮子无法通过内外轮的变重心配合越过障碍，为检测所述主承重轮11是否到达限位位置，在所述主承重轮11绕所述内表面191走行的极限位置放置限位开关；当所述主承重轮11触动限位开关，便向所述中央处理模块发送触发信号，此时调整其他行星轮的驱动，为达到限位的轮子提供推力，帮助其越过障碍；所述中央处理模块控制触碰障碍的轮子停止驱动，其余电机增大大功率驱动车子越过障碍。

当其中一个所述内行星式复合轮系单元1遇到较大的障碍时，所述轮胎19卡住，所述主承重轮11将在电机驱动下绕所述轮胎19内表面191轨迹转动而不能继续通过内外轮的变重心配合越过障碍；此时，在所述主承重轮11绕所述内表面191走行的极限位置放置限位开关，其功能有两个：一是限制所述主承重轮11绕所述轮胎19内表面191空转动做无用功，二是向所述中央处理模块发送中断信号，停止遇到障碍的所述内行星式复合轮系单元1的电机转动，并触发其余三个所述内行星式复合轮系单元1增大输出功率。

较佳的，所述限位开关放置于所述主承重轮11轴心与垂直方向夹角为90°至180°之间；更进一步的，所述限位开关放置于所述主承重轮11轴心与垂直方向夹角为120°的位置；

较佳的，所述限位开关采用微动限位开关。

实施例六

如上述所述的自动跟随越障车，本实施例与其不同之处在于，所述自动跟随越障车还包括至少一视觉定位单元，其用于锁定与跟随固定目标；

所述中央处理模块接收所述视觉定位单元传递过来的信号并进行处理，继而独立控制各所述内行星式复合轮系单元1的运行状态，来调节行进中的速度与方向。

所述视觉定位单元锁定目标以后，将识别的目标位置信息反馈到所述中央处理模块中，实时调整所述自动跟随越障车的运动速度和方向，实现对目标的跟随。

较佳的，所述视觉定位单元采用超声波定位装置。

较佳的，所述视觉定位单元采用UWB装置。

实施例七

如上述所述的自动跟随越障车，本实施例与其不同之处在于，所述自动跟随越障车设置有2n对所述内行星式复合轮系单元1，其中n为大于等于2的整数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种自动跟随越障车，其特征在于，包括至少一个内行星式复合轮系单元，所述内行星式复合轮系单元包括：

一内齿圈，其设置于一轮胎内表面，并与所述轮胎同速转动；

一主承重轮，所述主承重轮同轴设置有与所述内齿圈相啮合的齿轮，所述主承重轮能够绕所述轮胎的内表面滚动滑行；

一动力装置，其用于驱动传力机构，并将转动力传递给所述主承重轮与所述齿轮；

所述主承重轮及所述齿轮通过一销轴与外部载荷连接，且所述主承重轮与至少两个辅轮共同设置于一行星轮架上；

静止状态时，在所述外部载荷的重力作用下，所述主承重轮与所述齿轮位于与所述轮胎内表面的最低点，所述动力装置将转动力传递给所述主承重轮与所述齿轮，所述齿轮带动与之相啮合的所述内齿圈，进一步的，所述内齿圈转动，将带动所述轮胎转动；当所述轮胎遇到障碍时，所述轮胎停止转动，进而所述内齿圈停止转动，在此种情况下，所述齿轮在所述动力装置的驱动下继续转动，并绕所述内齿圈进行公转，所述主承重轮与所述辅轮绕所述内表面走行，从而抬高所述销轴的高度，进一步抬高所述外部载荷的重心高度；

所述自动跟随越障车还包括一中控单元，所述中控单元包括一中央处理模块和至少一限位模块，所述限位模块包括至少一个限位开关；所述限位开关放置于所述主承重轮轴心与垂直方向夹角为90°至180°之间，当其中一个所述主承重轮触碰障碍且触动所述限位开关时，向所述中央处理模块发送触发信号，所述中央处理模块控制触碰障碍的所述主承重轮停止驱动，并调整其他所述主承重轮的驱动，为达到限位的所述主承重轮提供推力，越过障碍。

2.根据权利要求1所述的自动跟随越障车，其特征在于，所述自动跟随越障车还包括一车架，所述车架上连接有2n对所述内行星式复合轮系单元，其中，n为大于等于2的正整数。

3.根据权利要求2所述的自动跟随越障车，其特征在于，所述中控单元包括一电机测速模块，其将电机速度反馈到所述中央处理模块中。

4.根据权利要求2所述的自动跟随越障车，其特征在于，所述自动跟随越障车还包括至少一视觉定位单元，其用于锁定与跟随固定目标。

5.根据权利要求1所述的自动跟随越障车，其特征在于，所述主承重轮与所述辅轮均能绕各自与所述行星轮架的销接轴进行自转，且所述主承重轮与所述辅轮能够绕所述轮胎的内表面公转。