CN107444101A - 一种由轮毂电机驱动的全轮转向无人平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种由轮毂电机驱动的全轮转向无人平台，该平台包括地面遥控站、图像采集模块、平台主体控制器、轮胎转向机构，平台主体控制器接收地面遥控站发送的运动控制指令，根据转动模式、转动角度计算得到每个轮胎的目标转角值和转动方向；根据实际转角值与目标转角值之差和转动方向，生成每个轮胎的转向角控制信号，分别发送给相应的轮胎转向机构，驱动轮胎相对于平台前进方向偏向相应转向角度，直到轮胎的实际转角值与目标转角值相等；将滚动转矩和滚动方向发送给相应轮胎，驱动其内部的轮毂电机，使其按照相应的速度向前或者向后连续转动。本发明解决了传统无人车辆机械结构复杂、机动性能较差、适用范围狭窄等问题。

Description

一种由轮毂电机驱动的全轮转向无人平台

技术领域

本发明是一种由轮毂电机驱动，具备全轮转向，并在主平台上搭载空中机器人和陆地机器人，具有高灵活性与高机动性的多功能无人驾驶纯电动越野轮式车辆，主要涉及灾情救援、勘探道路、军事侦察等功能。

背景技术

现今，在武器装备飞速发展与减少人员伤亡的要求日益突出的共同作用下，战场无人化趋势与发展走向愈加凸显。作为战争空间的重要组成部分，地面战场无人车辆的发展与装备是保障国家安全的必然选择。地面无人车辆具有如下优点：将人从危险任务中解放出来，降低人员伤亡；无需考虑人员舒适性，设计过程完全以任务为中心；可对空间构型重新设计，以满足战场隐蔽、物资装载等不同要求。

但是，传统无人车辆机械传动结构复杂，不易于设计并且空间利用率低，导致本身受限于机械传动效率、驱动设备等限制，只能有一种转向模式，在复杂路况和恶劣环境下不能发挥其完全动力性能，不利于发挥车辆的快速移动能力与冲破障碍能力。另外，在车辆的体积硕大和外形笨重的影响下，车辆难于操控，灵活性和操纵性较差，满足不了狭小空间、陡峭山壁等极端恶劣工况下的运动。

同时，无人车辆的发展目前主要受限于导航与感知系统硬件与软件性能不足，无法在恶劣环境下保证正常工作，另外在系统运行时间和空间距离上的限制，也无法使数据传输能够满足对车辆的流畅控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：克服现有技术的不足，设计一种高机动性与高灵活性的纯电动、子母化军用无人平台，解决传统无人车辆机械结构复杂、机动性能较差、适用范围狭窄等问题。

本发明的技术方案：一种由轮毂电机驱动的全轮转向无人平台，该平台包括平台主体和地面遥控站，其中，平台主体又包括图像采集模块、平台主体控制器、轮胎转向机构和电源模块，其中：

图像采集模块，对周围环境进行拍摄，形成图像信号，并通过无线方式发送至地面遥控站；

地面遥控站，向平台主体控制器发送运动控制指令，接收图像采集模块发送的图像信号并实时显示；所述运动控制指令包括转向模式、转动方向、转动角度和滚动方向、滚动转矩；

轮胎转向机构，包括前桥左侧转向机构、前桥右侧转向机构、后桥左侧转向机构、后桥右侧转向机构，与前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎一一对应，在平台主体控制器发送的转向角控制信号的驱动下，分别控制相应的轮胎相对于平台前进方向偏向相应转向角度；实时采集转向机构旋转角度发送至平台主体控制器；

平台主体控制器，接收地面遥控站发送的运动控制指令，根据转动模式、转动角度计算得到每个轮胎的目标转角值和转动方向；接收轮胎转向机构发送的转向机构旋转角度值，并将其转换成每个轮胎的实际转角值；根据实际转角值与目标转角值之差和转动方向，生成每个轮胎的转向角控制信号，分别发送给相应的轮胎转向机构，直到轮胎的实际转角值与目标转角值相等；根据滚动方向和滚动转矩生成转矩指令发送给相应轮胎，驱动其内部的轮毂电机，使其按照相应的速度向前或者向后连续转动；

电源模块，用于向各轮胎的轮毂电机和各轮胎转向机构提供供电信号。

所述转向模式包括阿克曼转向模式、双桥转向模式、解耦转向模式、原地转向模式。

平台主体控制器的具体实现为：

阿克曼转向模式下，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的目标转角值等于地面遥控站发送的转动角度；后桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎的目标转角值等于零，当转动方向为左侧转向时，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为左侧，前桥左侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact-k₁₁·β，前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact+k₁₂·β；后桥左侧轮胎和后桥右侧轮胎的滚动转矩为T_fact；当转动方向为右侧转向时，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为右侧；前桥左侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact-k₁₃·β，前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact+k₁₄·β；后桥左侧轮胎和后桥右侧轮胎的滚动转矩为T_fact；

双桥转向模式下，前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎的目标转角值均等于地面遥控站发送的转动角度；当转动方向为左侧转向时，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为左侧，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为右侧；前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact-k₂₁·β，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact+k₂₂·β；当转动方向为右侧转向时，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为右侧，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为左侧；前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact+k₂₃·β，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact-k₂₄·β；所述β为目标转角值与实际转角值之差，即为偏差角，k₁₁、k₁₂、k₁₃、k₁₄、k₂₁、k₂₂、k₂₃、k₂₄为转矩与偏差角的转换系数。解耦转向模式下，前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎的目标转角值均等于地面遥控站发送的转动角度；当转动方向为左侧转向时，前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎和后桥右侧轮胎的转向均为左侧，且滚动转矩均为T_fact；当转动方向为右侧转向时，前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎和后桥右侧轮胎的转向均为右侧，且滚动方向和滚动转矩均与地面遥控站发送的滚动方向和滚动转矩相同。

原地转向模式下，前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎的目标转角值均为51.34°，当转动方向为左侧转向时，前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎为左侧，前桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎为右侧；当转动方向为右侧转向时，前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎为右侧；前桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎为左侧，滚动方向和滚动转矩均与地面遥控站发送的滚动方向和滚动转矩相同；

所述轮胎转向机构包括转向驱动舵机、法兰盘、转向齿轮轴、转向齿轮、转向齿条、转向壳体，转向横拉杆，转向驱动舵机的输出转盘通过与法兰盘固连，法兰盘通过花键与转向齿轮轴连接，转向齿轮与转向齿条啮合，转向齿条两端穿过固定车架横向方向的滑动轴承与转向横拉杆铰接，横拉杆与轮胎内部的立柱侧方铰接；转向驱动舵机输出转盘在转向驱动舵机控制下转动，带动法兰盘和转向齿轮轴转动，转向齿条和转向横拉杆将其转换为车辆横向方向的运动，实现轮胎转向，转向驱动舵机中内置转角传感器，用来实时测量驱动舵机输出轴转动角度，将其作为转向机构转动角度发送至平台主体控制器。

所述电源模块包括轮毂电机电源和转向机构电源，其中，轮毂电机电源输出轮毂电机供电信号通过继电器与轮毂电机相连，用于为每个轮胎轮毂电机提供供电信号；转向机构电源输出转向机构供电信号，用于为每一个转向驱动舵机提供供电信号，同时还用于控制继电器的关断，保证轮胎转向机构工作之后相应的轮毂电机才能工作。

所述横拉杆与轮胎内部的立柱侧方铰接处选用标准球头关节轴承，且两端连接螺纹反向。

进一步地，平台还包括陆地侦察机器人，平台主体还包括子车舱；所述陆地侦察机器人位于子车舱内部，子车舱上设置有子车舱门、电动推杆和子车着陆板，地面遥测站向平台主体控制器发送子车舱控制指令，收到子车舱控制指令后，平台主体控制器为电动推杆加载电压，电动推杆提供恒定推力，使子车舱门以上端为轴做旋转运动，打开或者关闭子车舱门；平台主体控制器驱动舵机带动齿轮转动，啮合子车着陆板上的齿条释放子车着陆板，用于陆地侦察机器人驶入或者驶出或者驶入子车舱。

进一步地，平台还包括空中侦察机器人，所述空中侦察机器人为带有旋翼的空中飞行器，空中侦察机器人的脚端设有电磁铁，当平台不需要空中侦察机器人作业时，空中侦察机器人脚端上的电磁铁与主平台上的钢制空中机器人平台相吸；当平台需要空中侦察机器人作业时，空中机器人接收外部指令控制电磁铁通电后磁力自动消失，脱离主平台的吸附。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)、本发明采用了内置轮毂电机的轮胎，轮毂电机的应用使平台内部不存在任何传动结构，提升空间利用率，减小了重量和体积，简化原始军用车辆笨重的外形和硕大的体积，在简化大量复杂的机械传动机构的基础上，保证平台的动力性能，利于现代化快速、机动的作战方式；

(2)、本发明通过对轮毂电机和轮胎转向机构的单独控制，可以实现多种模式的行进，灵活切换阿克曼转向模式，双桥转向模式，解耦转向模式以及原地转向模式，能够实现快速通过复杂路况和障碍的目的；

(3)、本发明地面遥控站设置了多个显示屏，可以同时观测来自三个观测源发送的车辆周围的环境，实现广角监测；

(4)、本发明根据其转向几何关系，利用各轮胎具有轮毂电机独立驱动的优势，通过平台主体控制器计算得到的偏角值，使用简单的滚动转矩计算模型，下发不同转矩命令到对应的轮胎轮毂电机，实现两侧轮胎差速运行，保证车辆横向不发生滑移，提高平台运动的稳定性；

(5)、本发明以轮胎的纯滚动方式完成原地转向，相比传统的控制两侧轮胎速差反向运动实现原地转动的方式而言，不会对驱动电机、轮胎以及地面造成破坏性损坏；

(6)、本发明在主平台上搭载空中侦察机器人和陆地侦察机器人，提出“子母化”概念，多个平台之间的协同作业，能够从多方面获取信息，收集、读取、传输、计算等一系列操作在各个平台之间分工明确，减轻导航与感知系统负担，增加了无人平台的可靠性和适用范围，不再局限于多种复杂环境和自身外形因素的限制；

(7)、本发明采取纯电力驱动方案，所有动力能源来自平台内部的高压和低压电池。利用电力驱动响应时间短，动作迅速的特点，能够适应现代快速作战理念，提升车辆的机动性能。电力也更加清洁、环保，在车辆维护和整修方面也更加便捷，有利于延长车辆的使用寿命、降低成本。

附图说明

图1为本发明内部硬件布置图；

图2为本发明的整体外观侧视图；

图3为本发明地面遥控站示意简图；

图4为轮毂电机结构示意图；

图5为轮毂电机机械原理简图与速度关系图；

图6为本发明转向结构示意图；

图7为转向机构内部结构示意图；

图8为电源模块示意简图；

图9为本发明01阿克曼转向模式示意图；

图10为本发明02双桥转向模式示意图；

图11为本发明03解耦转向模式示意图；

图12为本发明04原地转向模式示意图；

图13为本发明实现子母车概念及工作流程示意图；

图14为本发明空中子系统工作流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种以轮毂电机驱动，具备全轮转向技术以及搭载多种的侦察机器人的纯电动全轮转向无人平台，该平台包括平台主体、地面遥控站，其中，平台主体又包括图像采集模块、平台主体控制器5、轮胎转向机构、陆地侦察机器人12、空中侦察机器人13和电源模块。其中：

图像采集模块，对周围环境进行拍摄，形成图像信号，并通过无线方式发送至地面遥控站；

地面遥控站，向平台主体控制器发送运动控制指令，接收图像采集模块发送的图像信号并实时显示；所述运动控制指令包括转向模式、转动方向、转动角度和滚动方向、滚动转矩等信息；

轮胎转向机构，包括前桥左侧转向机构2a、前桥右侧转向机构2b、后桥左侧转向机构2c、后桥右侧转向机构2d，与前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎一一对应，在平台主体控制器发送的转向角控制信号的驱动下，分别控制相应的轮胎相对于平台前进方向偏向相应转向角度；实时采集转向机构旋转角度发送至平台主体控制器；平台主体控制器，接收地面遥控站发送的运动控制指令，根据转动模式、转动角度计算得到每个轮胎的目标转角值和转动方向；接收轮胎转向机构发送的转向机构旋转角度值，并将其转换成每个轮胎的实际转角值；根据实际转角值与目标转角值之差和转动方向，生成每个轮胎的转向角控制信号，分别发送给相应的轮胎转向机构，直到轮胎的实际转角值与目标转角值相等；将滚动转矩和滚动方向发送给相应轮胎内部的轮毂电机，，驱动其内部的轮毂电机，使其按照相应的速度向前或者向后连续转动；

陆地侦察机器人为一辆小型双电机驱动的履带式车辆，其上搭载电台、摄像头和图像传输设备，通过电台接收集成在地面遥测站上的子车控制模块23发送的控制指令，根据运动控制指令运动驶出平台主体子车舱到达目标位置，通过运动摄像头搜索、侦察到外界环境信息，得到图像信号，通过图像传输设备将图像信号发送至平台主体，平台主体作为中继站，接收子车图像信号，并转发给地面遥测站接收并显示；

空中侦察机器人为带有四个旋翼的空中飞行器，其上搭载电台、摄像头和图像传输设备；通过电台接收相应的控制器发送的控制指令，根据运动控制指令运动到达目标位置，通过摄像头采集图像，通过图像传输设备将图像信号发送至地面遥测站，由地面遥测站接收并显示；空中侦察机器人的控制器也可以单独配置。

电源模块，用于向各轮胎的轮毂电机和各轮胎转向机构提供供电信号。

如图2所示，图像采集模块为平台车载前置摄像头15a和后置摄像头15b，实时采集周围环境图像信号，并通过车载天线14将图像信号以无线方式发送至地面遥控站。

如图3所示，地面遥控站包括第一接收天线16a、第二接收天线16b、第三接收天线16c、第一显示屏18、第二显示屏19、第三显示屏20、转向模式控制模块21、电机运动控制指令模块22、子车控制模块23、电台24和控制计算机，其中，

界面上指令按钮驱动转向模式控制模块21生成转向模式信息；电机运动控制指令模块22为摇杆装置，通过操控者对其前后左右旋转，生成转向行程值x和滚动行程值y，将转向模式信息、转向行程值x和滚动行程值y转换成转动方向、转动角度和滚动方向、滚动转矩信息发送至控制计算机；子车控制模块23产生侦察机器人的控制指令发送至其上搭载的电台。所述转向行程x的正负号代表转动方向，对应于执行机构的转动方向(顺时针或者逆时针)，转向行程x的大小对应转动角度信息；进而对应轮胎的左转或者右转；滚动行程数据y的正负号代表滚动方向，对应于执行机构的转动方向(顺时针或者逆时针)，进而对应轮胎的前进或者后退，转向行程x的大小对应滚动转矩信息。滚动转矩T(轮毂电机扭矩输出值)与电机运动控制指令模块22输出的滚动行程值y为T＝k₁y的线性关系，k₁为装置行程与电机最大扭矩的比例关系系数，根据不同的电机和电机运动控制指令模块22计算确定。转向行程值x于转向角度的关系也是相同的线性关系。

控制计算机，根据转向模式、转动方向、转动角度和滚动方向、滚动转矩信息产生运动控制指令，并将其发送给电台24；将第一个接收天线16a接收的来自陆地侦察机器人12的图像信号进行解码，得到图像，发送给第一显示屏18显示；将第二接收天线16b接收的来自平台主体的图像信号进行解码，得到图像，发送给第二显示屏显示19；将第三接收天线16c接收的来自空中侦察机器人13的图像信号进行解码，得到图像，发送给第三显示屏20。

电台24，接收运动控制指令发送至平台主体控制器。

地面遥控站使操控者能够在主显示屏19中观察车辆周围环境，实现第一视角遥控操作；或通过移动地面遥控站17跟随车辆平台行驶，由遥控者观察环境，进行对车辆的操控，实现第三视角遥控操作。

如图4所示，平台采用了四个由轮毂电机驱动的轮胎。电机在轮胎内部通过行星排减速器减速，进而驱动轮胎转动。通过每个轮胎之间驱动力调整，在简化大量复杂的机械传动机构的基础上，保证平台的动力性能。轮毂电机包括驱动电机hm2、行星排减速器hm3，驱动电机hm2根据外部控制产生所需要的转矩的转速，行星排减速器hm3将电机转速减速并带动轮胎旋转运动。所述行星排减速器hm3又包括太阳轮hm302、行星架hm4、齿圈hm303，驱动电机hm2与太阳轮hm302固连，太阳轮hm302与4个固定在行星架hm4上的行星轮hm301啮合连接，4个行星轮hm301与齿圈hm303啮合，如图5(a)所示，驱动电机hm2通过与之固连的太阳轮hm302输出相同的扭矩，太阳轮hm302与四个固定在行星架hm4上的行星轮hm301啮合运动，四个行星轮hm301与齿圈hm303啮合，由太阳轮hm302提供驱动力驱动行星轮hm301沿齿圈hm303转动，从而带动行星架与轮毂hm4转动，最终由轮毂hm4输出转矩，通过与轮辐hm7固定螺栓带动轮胎hm1转动。

车辆启动后，由操控者通过地面遥控站下发电机的滚动转矩与滚动方向，此时，四个放置在立柱hm8内部的驱动电机hm2将通过四个独立相对应的电机控制器4接通提供高电压的轮毂电机电源10。通过遥控站上的控制端22下发电机的滚动方向和转矩指令，具体为遥控站上的控制端22为摇杆装置，其行程值对应电机滚动转矩大小，电机顺时针或者逆时针滚动方向对应前后的移动方向，向前为顺时针转动，平台前进；向后为逆时针转动，平台后退。平台主体控制器5接收电机的滚动方向和转矩指令后通过相应的电机控制器4发送给对应的驱动电机hm2，使其输出对应的滚动方向和滚动转矩，提供平台行驶驱动力。

的线性关系如图5(b)所示，每个轮胎的转速v_tire与对应的内部驱动电机转速v_motor的关系为：

式中，v_tire为轮胎的转速，v_motor为驱动电机转速，w_plante为行星轮的转速；

w_sun为太阳轮的转速。

具体地，根据上述行星排减速器hm3的内部运动关系与设计尺寸，可得：

轮毂电机的应用使平台内部不存在任何传动结构，提升空间利用率，减小了重量和体积，简化原始军用车辆笨重的外形和硕大的体积，利于现代化快速、机动的作战方式。

如图6所示，为了保证轮胎的转动行程避免齿条在运动中的干涉问题，合理利用车体内部的空间，车辆的左右转向机构(包括前桥左侧转向机构2a、前桥右侧转向机构2b、后桥左侧转向机构2c、后桥右侧转向机构2d)采取前后摆放，呈中心对称放置，转向机构采取左侧转向机后置，右侧转向机对称前置。

如图7所示，轮胎转向机构包括转向驱动舵机st101、法兰盘st103、转向齿轮轴st104、转向齿轮st104、转向齿条201、转向壳体st105、转向横拉杆202。每个轮胎由对应提供转向驱动力的转向驱动舵机st101控制，在平台主体控制器发送的转向角控制信号的驱动下，转向驱动舵机st101控制相应的轮胎相对于平台前进方向偏向相应转向角度；所述转向角控制信号为双极性电压信号，正极电压驱动舵机逆时针旋转，负极电压驱动舵机顺时针旋转转向驱动舵机st101的输出转盘st102通过与法兰盘st103固连，输出同样转角与转矩，法兰盘st103通过花键与转向齿轮轴st104连接，传递转角和扭矩，转向驱动舵机st101、法兰盘st103、转向齿轮轴st104放置在具有保护作用的轻质转向壳体st105内，壳体包括驱动舵机外壳st105b与齿轮轴外壳st105a，整套壳体st105与车架st106固连。转向壳体st105开有一个与外部相通的槽，在转向壳体st105开槽部位，转向齿轮st104与转向齿条201啮合，转向齿条201两端穿过固定车架横向方向的滑动轴承st107与转向横拉杆202铰接，横拉杆202与轮胎内部的立柱侧方铰接。铰接处选用标准球头关节轴承203，且两端连接螺纹反向，可调节轮胎束角值，保证平台行驶稳定性。转向驱动舵机输出转盘st102在转向驱动舵机st101控制下转动，带动法兰盘st103和转向齿轮轴st104转动，齿条201受到转向驱动力，在安装其两侧滑动轴承st107的润滑作用下，进行车辆横向方向的运动，带动与之铰接的转向横拉杆202的运动，从而实现轮胎转向。转向横拉杆202与转向齿条201所成角度较小时，舵机转动角度即为转向机构旋转角度值，舵机转动角度与轮胎转向角度关系近似线性关系，为θ＝k₂φ，其中k₂k为转向驱动舵机行程与转向齿条行程比值。转向驱动舵机st101中内置转角传感器，用来实时测量驱动舵机st101输出轴转动角度，将其作为转向机构转动角度发送至平台主体控制器。

本发明采取纯电力驱动方案，所有动力能源来自平台内部的高压和低压电池。利用电力驱动响应时间短，动作迅速的特点，能够适应现代快速作战理念，提升车辆的机动性能。电力也更加清洁、环保，在车辆维护和整修方面也更加便捷，有利于延长车辆的使用寿命、降低成本。

如图8所示，电源模块用于向各轮胎的轮毂电机和各轮胎转向机构提供供电信号。电源模块包括轮毂电机电源10和转向机构电源6，其中，轮毂电机电源10输出轮毂电机供电信号通过继电器101与轮毂电机相连，用于为每个轮胎轮毂电机提供供电信号；转向机构电源6输出转向机构供电信号，用于为每一个转向驱动舵机提供供电信号，同时还用于控制继电器的关断，保证轮胎转向机构工作之后相应的轮毂电机才能工作。轮毂电机供电信号为高电压：380V，转向机构供电信号为低电压：24V。车辆启动后，转向机构电源6为全部驱动舵机提供持续电量输出，在高压轮毂电机电源10接入前，平台的转向状态已经被激活。当轮毂电机电源10启动后，直流电源8将持续为平台电子硬件供电端9和转向机构电源6提供电量输出。

通过上述轮毂电机和轮胎转向机构可以调整轮式车辆的转向方式，每个轮胎的独立转向，由单独驱动舵机控制转向齿轮的转动方向，施加转向驱动力，带动齿条运动调整轮胎的角度变化，实现多种行进模式：阿克曼转向模式，双桥转向模式，解耦转向模式以及原地转向模式。阿克曼转向模式是传统轮式车辆常用的转向模式，优点在于转向稳定性高，但转向所需空间较大，不利于操作；双桥模式即车辆前桥与后桥的转角方向相反，相比传统车辆的阿克曼转向模式，能够减小车辆的转弯半径，更加快速的完成弯道和转向动作，也减少了车辆转向所需空间；解耦转向即车辆的前桥与后桥的转动方向完全一致，使车辆实现斜向直线运动。在超车、避障上，在有限空间发挥了车辆本身的性能，解决了由于车辆自身体积和道路空间导致的不能完成行驶目的的问题；原地转向即车轮形成“内八字”的转角，对准车辆的中心，同时两侧车轮反向转动，完成以车辆中心为圆心的原地转向模式。通过模式之间的切换，结合每一种模式的特点，在多种模式的切换下，完成车辆的行进，能够实现快速通过复杂路况和障碍的目的。

如图8～图10所示，平台主体控制器的具体实现为：

阿克曼转向模式下，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的目标转角值等于地面遥控站发送的转动角度；后桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎的目标转角值等于零。为保证车辆横向不发生滑移，利用本发明具有轮毂电机独立驱动的优势，通过平台主体控制器5收到目标转角值与实际转角值之差，即偏差角β值，下发不同转矩命令到对应的电机控制器4，本发明中使简单的滚动转矩计算模型，实现两侧轮胎差速运行。当转动方向为左侧转向时，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为左侧，前桥左侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact-k₁₁·β，前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact+k₁₂·β；后桥左侧轮胎和后桥右侧轮胎的滚动转矩为T_fact；当转动方向为右侧转向时，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为右侧；前桥左侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact-k₁₃·β，前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact+k₁₄·β；后桥左侧轮胎和后桥右侧轮胎的滚动转矩为T_fact。

具体为：当转动方向为左侧转向时，平台主体控制器5经过信号电路发出动作指令到前桥两侧转向机构2a/2b，前桥左侧轮胎转向机构中转向驱动舵机st101逆时针转动，通过转向齿轮st104带动转向齿条201与转向横拉杆202向远离车身方向移动，轮胎向车身左侧转动；同时，右侧后置转向驱动舵机逆时针运动，带动转向齿条201与转向横拉杆202反向运动，轮胎向车身左侧转动，完成左侧转向动作。当转动方向为右侧转向时，前桥两侧转向机构2a/2b与左侧转向时的动作相反，完成右侧转向动作。后桥两个转向机构2c/2d没有动作指令，处于锁死转向驱动力状态，不会发生轮胎转动动作。

双桥转向模式下，前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎的目标转角值均等于地面遥控站发送的转动角度；当转动方向为左侧转向时，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为左侧，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为右侧；前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact-k₂₁·β，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact+k₂₂·β；当转动方向为右侧转向时，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为右侧，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为左侧；前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact+k₂₃·β，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact-k₂₄·β；所述β为目标转角值与实际转角值之差，即为偏差角，k₁₁、k₁₂、k₁₃、k₁₄、k₂₁、k₂₂、k₂₃、k₂₄为转矩与偏差角的转换系数，通过实验调试得到。高速行驶下能保证前进路线的k₁₁、k₁₂、k₁₃、k₁₄、k₂₁、k₂₂、k₂₃、k₂₄值为该平台的最佳值。

具体为：前桥两侧转向机构2a/2b执行与阿克曼转向模式相同操作，后桥左侧轮胎转向驱动舵机st101顺时针转动，通过转向齿轮st104带动转向齿条201与转向横拉杆202向靠近车身方向移动，轮胎向车身右侧转动；同时，后桥右侧转向驱动舵机st104顺时针转动，带动后置转向横拉杆202向靠近车身方向移动，轮胎向车身右侧转动，完成该种模式下的左侧转向。下达右侧转向命令时，四个独立转向机构与左侧转向时执行动作相反，完成右侧转向。参照图9，平台在该种转向模式下的转向半径Ra为阿克曼转向时所需要的转向半径，Rd为双桥模式下所需要的转向半径。即该种模式下的转向半径要比正常阿克曼转向模式减少二分之一，所需运动面积减小4倍。此种模式下，两侧轮速仍需保持差速状态。

解耦转向模式下，前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎的目标转角值均等于地面遥控站发送的转动角度；当转动方向为左侧转向时，前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎和后桥右侧轮胎的转向均为左侧，且滚动转矩均为T_fact；当转动方向为右侧转向时，前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎和后桥右侧轮胎的转向均为右侧，且滚动方向和滚动转矩均与地面遥控站发送的滚动方向和滚动转矩相同。

平台前桥两侧转向机构2a/2b执行与阿克曼转向模式相同动作；同时，平台后桥两侧转向机构2c/2d执行与两侧前桥转向机构相同动作，四个轮胎同时同相位向左侧转动，完成左侧转向命令。下发右侧转向指令，前桥两侧转向机构2a/2b执行与阿克曼转向模式相同动作，后桥两侧转向机构2c/2d执行与前桥两个转向驱动舵机相同动作，四个轮胎同时同相位向右侧转动，完成同相位双桥右侧转向。

参照图10，图例说明了本发明解耦转向模式下行进形态，轮胎轴线彼此平行，角度保持相等，其转向半径可视为无穷大，四个驱动电机hm2输出相同转矩，保持输出轮速相同，实现斜向直线运动。该种转向模式下所需路面宽度要大于其他转向模式，存在几何关系，X＝l+L＝K·tanθ+L。X为所需路宽，l为比正常模式行驶所增加路宽，L为平台宽度，K为平台轴距，θ为轮胎的转角值。

本平台利用轮胎转角与轮毂电机配合控制，以轮胎的纯滚动方式完成原地转向。该种方式下，每一条轮胎轴线是以车辆中心为圆心的同一圆周上的切线。本发明质心置于平台中心处，故可忽略考虑质心对车辆运动时轮荷变化与横向受力的影响。根据几何关系计算轮胎满足转向条件的转角值，可得所以

因此原地转向模式下，前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎的目标转角值均为51.34°，当转动方向为左侧转向时，前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎为左侧，前桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎为右侧；当转动方向为右侧转向时，前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎为右侧；前桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎为左侧，滚动方向和滚动转矩均与地面遥控站发送的滚动方向和滚动转矩相同。这种方式相对于传统的使用对轮毂电机控制，进而控制两侧轮胎速差反向运动，进行原地转向的方式，不会对驱动电机、轮胎以及地面造成破坏性损坏。

如图11所示状态，旋钮切换后，直接自动下达原地转向指令，前桥左侧转向驱动舵机st101顺时针转动，通过转向齿轮st104带动转向齿条201与转向横拉杆202向车身内部运动，左前轮1a向右侧转向至原地转向所需角度；右侧转向驱动舵机st101逆时针转动，通过转向齿轮st104带动转向齿条201与转向横拉杆202向车身外侧运动，右前轮1b向左侧转向至原地转向所需角度。同时，后桥左侧转向驱动舵机st101逆时针转动，通过转向齿轮st104带动转向齿条201与转向横拉杆202向车身外侧运动，左后轮1c向左侧转向至原地转向所需角度；右侧转向驱动舵机st101顺时针转动，通过转向齿轮st104带动转向齿条201与转向横拉杆202向车身内部运动，右后轮1d向右侧转向至所需角度。通过遥控地面站下达顺时针原地转向指令，左侧两电机hm2正向转动带动轮胎转动，右侧两电机hm2反向转动带动轮胎转动；下达逆时针原地转向命令，左侧两电机hm2反向转动，右侧两电机hm2正向转动，完成原地转向动作。

如图14所示，陆地侦察机器人位于子车舱内部，子车舱上设置有子车舱门t5、电动推杆t6和子车着陆板t4。陆地侦察机器人的释放以及回收过程，由地面遥控站对舱门和“子车着陆板”进行控制，完成子车的出入动作。地面遥测站17向平台主体控制器发送子车舱控制指令，收到子车舱控制指令后，平台主体控制器为电动推杆t6加载电压，电动推杆t6提供恒定推力，使子车舱门t5以上端为轴做旋转运动，打开或者关闭子车舱门；平台主体控制器驱动舵机带动齿轮转动，啮合子车着陆板t4上的齿条释放子车着陆板t4，用于陆地侦察机器人驶入或者驶出或者驶入子车舱。整体机构释放结束后，通过地面遥控站与陆地侦察机器人搭载的通讯电台t2进行数据传输，进而实现遥控操作。

如图12所示，陆地侦察机器人12搭载轻型运动摄像头t2和无线图像调制设备t3，陆地侦察机器人12通过车载运动型摄像头t2搜索、侦察到外界环境信息，随后经无线图像传输设备t3发送到主平台图像接收天线14，再通过主平台内部图像整合器与调制器11进行初步处理，减少图像的传输距离。随后，再有车载天线14发送至地面端天线16，最终在遥控站的辅助显示屏18上输出图像，观察者可在远端通过第一视角观察环境，进行遥控操作；陆地机器人回收，通过图像传输控制子车机器人进入子车舱内，随后高扭矩输出舵机反向转动回收“子车着陆板”t4，同时电动推杆t6加载反向电压，子车舱门t5做旋转运动闭合。

空中侦察机器人为带有旋翼的空中飞行器。空中侦察机器人13的运动，通过地面端遥控器17上的空中侦察机器人控制模块24进行操作，空中侦察机器人13四角装有电磁铁，通过电路的通断控制与平台之间的连接，当平台不需要空中侦察机器人作业时，空中侦察机器人脚端上的电磁铁与主平台上的钢制空中机器人平台相吸；当平台需要空中侦察机器人作业时，空中机器人接收外部指令控制电磁铁通电后磁力自动消失，脱离主平台的吸附。通过遥控器24下发油门指令，接收机接收通过控制板运行程序计算，执行旋翼旋转操作，通过油门深度进行旋翼旋转速度控制。机器人回收时，降落在主平台执行断电操作，与平台通过吸力连接。

根据图13所示，旋翼机器人13上搭载摄像头收集来自各方的环境信息，旋翼机器人运动范围广，本发明不再采取子车图像传输策略，直接将旋翼机器人所收集信息传送至地面端天线16，在地面遥控站17上的辅助显示屏20输出图像，实现第一视角控制与观察。

空中机器人能够发挥在空中作战优势，并利用其与主平台之间的协同作业，完成地形的勘探和主平台的避障。多个平台之间的协同作业，能够从多方面获取信息，收集、读取、传输、计算等一系列操作在各个平台之间分工明确，减轻导航与感知系统负担，增加了无人平台的可靠性和适用范围，不再局限于多种复杂环境和自身外形因素的限制。

本说明书为进行详细描述部分属于公知常识。

Claims (8)

1.一种由轮毂电机驱动的全轮转向无人平台，其特征在于包括平台主体和地面遥控站，其中，平台主体又包括图像采集模块、平台主体控制器、轮胎转向机构和电源模块，其中：

图像采集模块，对周围环境进行拍摄，形成图像信号，并通过无线方式发送至地面遥控站；

地面遥控站，向平台主体控制器发送运动控制指令，接收图像采集模块发送的图像信号并实时显示；所述运动控制指令包括转向模式、转动方向、转动角度和滚动方向、滚动转矩；

轮胎转向机构，包括前桥左侧转向机构、前桥右侧转向机构、后桥左侧转向机构、后桥右侧转向机构，与前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎一一对应，在平台主体控制器发送的转向角控制信号的驱动下，分别控制相应的轮胎相对于平台前进方向偏向相应转向角度；实时采集转向机构旋转角度发送至平台主体控制器；

平台主体控制器，接收地面遥控站发送的运动控制指令，根据转动模式、转动角度计算得到每个轮胎的目标转角值和转动方向；接收轮胎转向机构发送的转向机构旋转角度值，并将其转换成每个轮胎的实际转角值；根据实际转角值与目标转角值之差和转动方向，生成每个轮胎的转向角控制信号，分别发送给相应的轮胎转向机构，直到轮胎的实际转角值与目标转角值相等；根据滚动方向和滚动转矩生成转矩指令发送给相应轮胎，驱动其内部的轮毂电机，使其按照相应的速度向前或者向后连续转动；

电源模块，用于向各轮胎的轮毂电机和各轮胎转向机构提供供电信号。

2.根据权利要求1所述的一种由轮毂电机驱动的全轮转向无人平台，其特征在于所述转向模式包括阿克曼转向模式、双桥转向模式、解耦转向模式、原地转向模式。

3.根据权利要求2所述的一种由轮毂电机驱动的全轮转向无人平台，其特征在于平台主体控制器的具体实现为：

阿克曼转向模式下，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的目标转角值等于地面遥控站发送的转动角度；后桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎的目标转角值等于零，当转动方向为左侧转向时，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为左侧，前桥左侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact-k₁₁·β，前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact+k₁₂·β；后桥左侧轮胎和后桥右侧轮胎的滚动转矩为T_fact；当转动方向为右侧转向时，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为右侧；前桥左侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact-k₁₃·β，前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact+k₁₄·β；后桥左侧轮胎和后桥右侧轮胎的滚动转矩为T_fact；

双桥转向模式下，前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎的目标转角值均等于地面遥控站发送的转动角度；当转动方向为左侧转向时，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为左侧，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为右侧；前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact-k₂₁·β，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact+k₂₂·β；当转动方向为右侧转向时，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为右侧，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎的转向为左侧；前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact+k₂₃·β，前桥左侧轮胎和前桥右侧轮胎电机滚动转矩为T_left＝T_fact-k₂₄·β；所述β为目标转角值与实际转角值之差，即为偏差角，k₁₁、k₁₂、k₁₃、k₁₄、k₂₁、k₂₂、k₂₃、k₂₄为转矩与偏差角的转换系数。解耦转向模式下，前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎的目标转角值均等于地面遥控站发送的转动角度；当转动方向为左侧转向时，前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎和后桥右侧轮胎的转向均为左侧，且滚动转矩均为T_fact；当转动方向为右侧转向时，前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎和后桥右侧轮胎的转向均为右侧，且滚动方向和滚动转矩均与地面遥控站发送的滚动方向和滚动转矩相同。

原地转向模式下，前桥左侧轮胎、前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎的目标转角值均为51.34°，当转动方向为左侧转向时，前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎为左侧，前桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎为右侧；当转动方向为右侧转向时，前桥右侧轮胎、后桥左侧轮胎为右侧；前桥左侧轮胎、后桥右侧轮胎为左侧，滚动方向和滚动转矩均与地面遥控站发送的滚动方向和滚动转矩相同。

4.根据权利要求1所述的一种由轮毂电机驱动的全轮转向无人平台，其特征在于所述轮胎转向机构包括转向驱动舵机(st101)、法兰盘(st103)、转向齿轮轴(st104)、转向齿轮(st104)、转向齿条(201)、转向壳体(st105)，转向横拉杆(202，转向驱动舵机(st101)的输出转盘(st102)通过与法兰盘(st103)固连，法兰盘(st103)通过花键与转向齿轮轴(st104)连接，转向齿轮(st104)与转向齿条(201)啮合，转向齿条(201)两端穿过固定车架横向方向的滑动轴承(st107)与转向横拉杆(202)铰接，横拉杆(202)与轮胎内部的立柱侧方铰接；转向驱动舵机输出转盘(st102)在转向驱动舵机(st101)控制下转动，带动法兰盘(st103)和转向齿轮轴(st104)转动，转向齿条(201和转向横拉杆(202)将其转换为车辆横向方向的运动，实现轮胎转向，转向驱动舵机(st101)中内置转角传感器，用来实时测量驱动舵机(st101)输出轴转动角度，将其作为转向机构转动角度发送至平台主体控制器。

5.根据权利要求1所述的一种由轮毂电机驱动的全轮转向无人平台，其特征在于所述电源模块包括轮毂电机电源(10)和转向机构电源(6)，其中，轮毂电机电源(10)输出轮毂电机供电信号通过继电器与轮毂电机相连，用于为每个轮胎轮毂电机提供供电信号；转向机构电源(6)输出转向机构供电信号，用于为每一个转向驱动舵机提供供电信号，同时还用于控制继电器的关断，保证轮胎转向机构工作之后相应的轮毂电机才能工作。

6.根据权利要求1所述的一种由轮毂电机驱动的全轮转向无人平台，其特征在于横拉杆(202)与轮胎内部的立柱侧方铰接处选用标准球头关节轴承(203)，且两端连接螺纹反向。

7.根据权利要求1所述的一种由轮毂电机驱动的全轮转向无人平台，其特征在于还包括陆地侦察机器人，平台主体还包括子车舱；所述陆地侦察机器人位于子车舱内部，子车舱上设置有子车舱门(t5)、电动推杆(t6)和子车着陆板(t4)，地面遥测站(17)向平台主体控制器发送子车舱控制指令，收到子车舱控制指令后，平台主体控制器为电动推杆(t6)加载电压，电动推杆(t6)提供恒定推力，使子车舱门(t5)以上端为轴做旋转运动，打开或者关闭子车舱门；平台主体控制器驱动舵机带动齿轮转动，啮合子车着陆板(t4)上的齿条释放子车着陆板(t4)，用于陆地侦察机器人驶入或者驶出或者驶入子车舱。

8.根据权利要求1所述的一种由轮毂电机驱动的全轮转向无人平台，其特征在于还包括空中侦察机器人，所述空中侦察机器人为带有旋翼的空中飞行器，空中侦察机器人的脚端设有电磁铁，当平台不需要空中侦察机器人作业时，空中侦察机器人脚端上的电磁铁与主平台上的钢制空中机器人平台相吸；当平台需要空中侦察机器人作业时，空中机器人接收外部指令控制电磁铁通电后磁力自动消失，脱离主平台的吸附。