CN109625085B - 一种独立悬挂轮式智能转向方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能巡检领域，具体涉及一种独立悬挂轮式智能转向方法，用于控制巡检机器人的轮组进行转向，轮组的每个车轮上均安装有车轮独立推杆转向系统，转向方法包括：步骤一，由巡检控制电路发送转向控制信号给驱动机构；步骤二，驱动机构驱动轮组驱动电机工作，由轮组驱动电机带动轮组的车轮旋转；步骤三，轮组驱动电机带动车轮旋转的同时，驱动机构驱动车轮独立推杆转向系统分别动作，车轮独立推杆转向系统控制轮组的各个车轮独立进行原地转向。本发明能解决现有转向方法的转向半径大、轮胎易磨损和转向过程复杂的问题。

Description

一种独立悬挂轮式智能转向方法

技术领域

本发明涉及智能巡检领域，具体涉及一种独立悬挂轮式智能转向方法。

背景技术

智能巡检机器人主要应用于室内外变电站代替巡视人员进行巡视检查，完成变电站巡检中遇到的急、难、险、重和重复性工作。智能巡检机器人可以就变电站检测需求配置系统所需要的传感器，及时获取设备运行状态、环境信息、设备故障信息等，构建变电站整体运行信息，在数据量化的基础上，实现运维智能化。智能巡检机器人携带红外热像仪、可见光CCD等有关的电站设备检测装置，以自主和遥控的方式，代替人力对室外高压设备进行巡测，可以及时发现电力设备的内部热缺陷、外部机械或电气问题如异物、损伤、发热、漏油等，给运行人员提供诊断电力设备运行中的事故隐患和故障先兆的有关数据。

智能巡检机器人需要巡检变电站的各个角落，而变电站普遍存在设备数量多、密度大；巡检道路偏窄；道路路况复杂等问题，智能巡检机器人的转向须灵活、转弯半径需很小。现有技术中，通常从动力学角度对巡检机器人的转向运动进行控制，通过动力学求解可得出能满足动力学约束的车轮运动轨迹，控制器通过车轮的动力学误差即目标转向角与实测转向角之差，来确保车轮转向角度的精确度。采用现有的车轮位置控制方法对四轮独立转向车辆的车轮的转向进行控制，可以保证各车轮能较好的跟踪各自的运动轨迹，但是车辆在转向过程中，一旦某个车轮由于外部干扰等因素不能实时跟踪其运动轨迹，车辆的动力学要求也就不能实时保证。

针对上述问题，公开号为CN104527780B中国专利公开了一种四轮独立转向车辆的转向控制方法，在车辆坐标系下通过车轮的位置和转向角信号实时求解车辆的瞬时转向中心，并依据瞬时转向中心得到车辆的运动学误差，然后结合车辆的动力学误差，对车轮的转向角进行控制，完成车辆的转向，由于本发明提供的四轮独立转向车辆的转向控制方法中，主控制器结合车辆的动力学误差以及运动学误差，对车轮转向角进行控制，进一步提高了车辆转向的精准度；同时，通过运动学误差，将在机械构造上相对独立运动的车轮进行了虚拟连接。该方案在转向过程中，如果一个车轮受到外部干扰转向角发生突变时，其他车轮协同运动，保证车辆转向的平稳性，提高了系统的鲁棒性。

上述方案采用多个驱动轮之间的差速实现转向，其存在以下问题：1)转向时对于车轮的损耗很大，使用时会极大的增加换车轮的成本；2)转弯半径大，变电站内电气设备较多，空间狭窄，巡检机器人在转向时很容易与设备发生碰撞，会导致设备的损坏。现有技术还有采用机械连杆传动多个驱动轮的方式实现转向的方法，但是其机构复杂，会增大巡检机器人的整体尺寸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种独立悬挂轮式智能转向方法，能避免现有转向方法出现的转向半径大、轮胎易磨损和转向过程复杂的问题。

本发明提供的基础方案为：一种独立悬挂轮式智能转向方法，用于控制巡检机器人的轮组进行转向，轮组的每个车轮上均安装有车轮独立推杆转向系统，包括以下步骤：

步骤一，由巡检控制电路发送转向控制信号给驱动机构；

步骤二，驱动机构驱动车轮独立推杆转向系统分别动作，车轮独立推杆转向系统控制轮组的各个车轮进行独立转动；

步骤三，车轮转动完成后，驱动机构驱动轮组驱动电机工作，由轮组驱动电机带动轮组的车轮旋转，完成车轮的转向。

本发明的有益效果：本方案中的车轮独立推杆转向系统，能使轮组的车轮独立完成原地转动，极大的提高了巡检机器人的灵活性，解决了现有转向方法的转向半径大、轮胎易磨损和转向过程复杂的问题。

进一步，步骤三中，所述车轮独立推杆转向系统包括安装在底盘上的推杆电机、与推杆电机输出轴连接的转向止旋支座、转向横拉杆、悬挂摆臂支撑架和与悬挂摆臂支撑架固定连接的车轮安装座；转向横拉杆的第一端设有第一球枝铰接机构，转向横拉杆第二端设有第二球枝铰接机构，转向横拉杆通过第一球枝铰接机构与转向止旋支座铰接，转向横拉杆通过第二球枝铰接机构与悬挂摆臂支撑架铰接。

有益效果：车轮独立推杆转向系统控制推杆电机的工作，推杆电机的输出轴的横向动力向左推动转向止旋支座运动，转向止旋支座通过第一球枝铰接机构和第二球枝铰接机构依次带动转向横拉杆、悬挂摆臂支撑架和车轮安装座做原地转动，车轮也能实现原地转动。推杆电机输出轴运动的距离对应着车轮特定角度的原地转动。

进一步，步骤三中，所述车轮独立推杆转向系统还包括与底盘固定连接的直线轴承和与转向止旋支座固定连接的导向杆，直线轴承与推杆电机平行设置，导向杆与直线轴承的内侧壁滑动配合。

有益效果：转向止旋支座能带动导向杆在直线轴承内滑动，导向杆能使转向止旋支座保持水平运动。

进一步，步骤三中，转向横拉杆的长度可自由调节。

有益效果：通过调节转向横拉杆的长度实现对轮组的车轮转动角度的调节，有利于对车轮独立推杆转向系统的转向精度进行调整。

进一步，步骤三中，四个车轮包括左前轮、右前轮、左后轮和右后轮，四个车轮独立推杆转向系统能控制四个车轮完成原地转向行驶：控制左前轮和右后轮沿顺时针方向转动到与横轴线的夹角为45度的位置，控制右前轮和左后轮沿逆时针方向转动到与横轴线的夹角为135度的位置，完成原地转向行驶。

有益效果：巡检机器人在一些空间极为狭窄，且需要调整位姿时，就需要巡检机器人具有绕着自身的中心旋转的能力，在实际的运用中受现场条件的限制以及一些特殊的工作需要尽量地减小巡检机器人的转弯半径以至于实现零半径转向。本方案通过车轮独立推杆转向系统使机器人在原地绕着自身的中心完成旋转，可以达到全向、全姿态、零半径转弯，极大的提高了巡检机器人的灵活性。

进一步，步骤三中，四个车轮独立推杆转向系统能控制四个车轮完成斜行行驶：控制左前轮、右前轮、左后轮和右后轮沿逆时针方向转动到与横轴线的右侧夹角为90-180度之间的位置，完成向左斜行行驶；控制左前轮、右前轮、左后轮和右后轮沿顺时针方向转动到与横轴线的右侧夹角为0-45度之间的位置，完成向右斜行行驶。

有益效果：遇到及其狭窄的道路(巡检机器人正向无法通过)，可采用斜行行驶使巡检机器人横向通过道路，行驶方式多样，行驶灵活，受空间限止少，有利于日常的巡检工作。

附图说明

图1为本发明实施例中车轮独立推杆转向系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中轮组直线行驶的俯视图；

图3为本发明实施例中轮组原地转向行驶的俯视图；

图4为本发明实施例中轮组斜行行驶的俯视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：底盘1、安装室11、推杆电机2、直线轴承31、导向杆32、转向止旋支座4、第一球枝51、第一球座52、第二球枝53、第二球座54、转向横拉杆6、悬挂摆臂支撑架7、车轮安装座8、左前轮101、右前轮102、左后轮103、右后轮104。

实施例：

一种独立悬挂轮式智能转向方法，用于控制巡检机器人的驱动机构驱动轮组实现转向，轮组的每个车轮上均安装有车轮独立推杆转向系统，包括以下步骤：

步骤一，由巡检控制电路发送转向控制信号给驱动机构；

步骤二，驱动机构驱动车轮独立推杆转向系统分别动作，车轮独立推杆转向系统控制轮组的各个车轮进行独立转动；

步骤三，车轮转动完成后，驱动机构驱动轮组驱动电机工作，由轮组驱动电机带动轮组的车轮旋转，完成车轮的转向。

本实施例转向方法除了能完成巡检机器人普通的转向方式之外，还能完成原地转向行驶和斜行行驶。

如图2所示：转向轮组为直线行驶，左前轮101、右前轮102、左后轮103和右后轮104与横轴线之间的夹角均为90度。

原地转向：驱动机构控制车轮独立转向到如图3所示的位置：控制左前轮101的第一车轮独立推杆转向系统动作，使左前轮101沿顺时针方向转动到与横轴线的夹角为45度的位置；控制右前轮102的第二车轮独立推杆转向系统动作，使右前轮102沿逆时针方向转动到与横轴线的夹角为45度的位置；控制左后轮103的第三车轮独立推杆转向系统动作，使左后轮103沿逆时针方向转动到与横轴线的夹角为45度的位置；控制右后轮104的第四车轮独立推杆转向系统动作，使右后轮104沿顺时针方向转动到与横轴线的夹角为45度的位置。驱动机构控制轮组驱动电机驱动车轮旋转，实现原地转向行驶。

斜行行驶：以向左斜行为例(向右斜行远离相同)驱动机构控制车轮独立转向到如图4所示的位置：控制左前轮101的第一车轮独立推杆转向系统动作，使左前轮101沿逆时针方向转动到与横轴线右侧夹角为135度的位置；控制右前轮102的第二车轮独立推杆转向系统动作，使右前轮102沿逆时针方向到与横轴线右侧夹角为135度的位置；控制左后轮103的第三车轮独立推杆转向系统动作，使左后轮103沿逆时针方向转动到与横轴线右侧夹角为135度的位置；控制右后轮104的第四车轮独立推杆转向系统动作，使右后轮104沿逆时针方向转动到与横轴线右侧夹角为135度的位置。驱动机构控制轮组驱动电机驱动车轮旋转，实现向左斜行行驶。

本实施例还公开了一种独立转向装置，包括机架、驱动机构以及巡检控制电路，驱动机构包括底盘1本体、轮组驱动电机、轮组和车轮独立推杆转向系统。

如图2所示：轮组包括四个车轮，分别为左前轮101、右前轮102、左后轮103和右后轮104，每个车轮均包括车轮独立推杆转向系统。

如图1所示：车轮独立推杆转向系统，包括固定安装于机架上的底盘1和固定连接在底盘1上的安装室11，安装室11内设有推杆电机2、直线轴承31和导向杆32。推杆电机2机体固定安装于底盘1上，推杆电机2的输出轴位于安装室11外的左侧。直线轴承31固定安装于底盘1上且与推杆电机2平行设置。导向杆32位于直线轴承31内部且与直线轴承31内侧壁滑动配合，导向杆32的左端位于安装室11外的左侧且与推杆电机2的输出轴位于同一纵截面上。

车轮独立推杆转向系统还包括转向止旋支座4、悬挂摆臂支撑架7和转向横拉杆6。转向止旋支座4的上端与推杆电机2的输出轴垂直且固定连接，转向止旋支座4的下端与导向杆32的左端垂直且固定连接，转向止旋支座4上还固定连接有第一球枝51。悬挂摆臂支撑架7固定安装有车轮安装座8，用于安装智能巡检机器人的车轮；悬挂摆臂支撑架7的右端还固定连接有第二球枝53。转向横拉杆6的右端焊接固定有第一球座52，转向横拉杆6的左端焊接固定有第二球座54，第一球座52与第一球枝51球铰接，第二球座54与第二球枝53球铰接。

本实施例的工作过程：

巡检控制电路发出信号控制驱动机构工作。

驱动机构控制车轮独立推杆转向系统实现单个车轮的原地转动：控制推杆电机2的工作，推杆电机2的输出轴的横向动力向左推动转向止旋支座4水平运动，转向止旋支座4能带动导向杆32在直线轴承31内滑动，导向杆32能使转向止旋支座4保持水平运动。

转向止旋支座4运动时，通过第一球枝51、第一球座52、第二球枝53和第二球座54依次带动转向横拉杆6、悬挂摆臂支撑架7和车轮安装座8做原地转动，车轮也能实现原地转动。推杆电机2输出轴运动的距离对应着车轮特定角度的原地转动，具体角度可通过计算得出。

驱动机构通过控制单个车轮的原地转动实现巡检机器人的原地转动，同时驱动机构控制轮组驱动电机驱动车轮旋转，完成转向行驶。

实施例二：

本实施例与实施例一相比，不同之处在于本实施例中还包括智能巡检小车，智能巡检小车还包括转向调节机构。

智能巡检机器人有两种转向方式，一是原地转向，二是在行进间转向。原地转向时，车轮仅受到推杆电机的推力；行进间转向时，车轮受到推杆电机作用力的前提下还需要克服车辆运动的惯性作用力，因此，原地转向与行进间转向相比，原地转向时需要的力会更小，而行进间转向时车轮在不同的转速下所克服的惯性作用力的大小也不同，转向所需的推力也就不同。若满足原地转向的推力，在行进间转向时推力就会偏小，会导致车轮的转动角度偏小；若为了满足行进间转向的推力，在原地转向时推力就会偏大，会导致车轮转动的角度偏大，上述问题均会导致智能巡检机器人出现转向角度不准确的问题。

转向调节机构包括安装于智能巡检机器人车轮上的风力发电装置、安装于转向止旋支座和底盘之间的“V”形的形状记忆金属，形状记忆金属的两端分别与转向止旋支座和底盘焊接固定。风力发电装置的风轮伴随车轮的转动而转动，风力发电装置的发电机的输出端与形状记忆金属连接。本实施例中，风力发电机采用光合的100-200WGS型风力发电机，形状记忆金属为TiNi-Pd系合金。

本实施例的工作过程：智能巡检机器人原地转向时，风力发电装置的风轮不会转动，风力发电装置的发电机也不会产生电能，形状记忆金属处于常温中其不会发生形变；当车轮转动时，风力发电装置的风轮会转动，风力发电装置的发电机能产生电流流向形状记忆金属形成短路，形状记忆金属的温度会上升并能发生形变，形状记忆金属的形变能增加转向止旋支座和底盘间的距离，其距离增加，推杆电机以相同的推力就能转动相对较大的角度。随着车轮转动的加快，发电机产生的电能和流向形状记忆金属的电流均会上升，形状记忆金属的温度能伴随车轮转速的加快而增加，形状记忆金属的形变的角度也能增大，转向止旋支座和底盘间的距离能伴随车轮转速的增大而增大，车轮转向时的角度也能伴随车轮的转动而增加。

本实施例的有益效果：本方案能根据车轮的转速来动态调节转向止旋支座和底盘之间的距离，通过调节其距离实现对车轮转动角度的调节，能有效解决现有智能巡检机器人转向不同行驶状态下转向角度不准确的问题。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (5)

1.一种独立悬挂轮式智能转向方法，用于控制巡检机器人的轮组进行转向，轮组的每个车轮上均安装有车轮独立推杆转向系统，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，由巡检控制电路发送转向控制信号给驱动机构；

步骤二，驱动机构驱动车轮独立推杆转向系统分别动作，车轮独立推杆转向系统控制轮组的各个车轮进行独立转动；

步骤三，车轮转动完成后，驱动机构驱动轮组驱动电机工作，由轮组驱动电机带动轮组的车轮旋转，完成车轮的转向；

所述车轮独立推杆转向系统包括安装在底盘上的推杆电机、与推杆电机输出轴连接的转向止旋支座、转向横拉杆、悬挂摆臂支撑架和与悬挂摆臂支撑架固定连接的车轮安装座；转向横拉杆的第一端设有第一球枝铰接机构，转向横拉杆第二端设有第二球枝铰接机构，转向横拉杆通过第一球枝铰接机构与转向止旋支座铰接，转向横拉杆通过第二球枝铰接机构与悬挂摆臂支撑架铰接；还包括转向调节机构，转向调节机构包括安装于智能巡检机器人车轮上的风力发电装置、安装于转向止旋支座和底盘之间的“V”形的形状记忆金属，形状记忆金属的两端分别与转向止旋支座和底盘焊接固定；风力发电装置的风轮伴随车轮的转动而转动，风力发电装置的发电机的输出端与形状记忆金属连接。

2.根据权利要求1所述的独立悬挂轮式智能转向方法，其特征在于：步骤三中，所述车轮独立推杆转向系统还包括与底盘固定连接的直线轴承和与转向止旋支座固定连接的导向杆，直线轴承与推杆电机平行设置，导向杆与直线轴承的内侧壁滑动配合。

3.根据权利要求2所述的一种独立悬挂轮式智能转向方法，其特征在于：步骤三中，转向横拉杆的长度可自由调节。

4.根据权利要求3所述的独立悬挂轮式智能转向方法，其特征在于：步骤三中，轮组包括四个车轮，分别为左前轮、右前轮、左后轮和右后轮，四个车轮独立推杆转向系统能控制四个车轮完成原地转向行驶：控制左前轮和右后轮沿顺时针方向转动到与横轴线的夹角为45度的位置，控制右前轮和左后轮沿逆时针方向转动到与横轴线的夹角为135度的位置，完成原地转向行驶。

5.根据权利要求4所述的独立悬挂轮式智能转向方法，其特征在于：步骤三中，四个车轮独立推杆转向系统能控制四个车轮完成斜行行驶：控制左前轮、右前轮、左后轮和右后轮沿逆时针方向转动到与横轴线的右侧夹角为90-180度之间的位置，完成向左斜行行驶；控制左前轮、右前轮、左后轮和右后轮沿顺时针方向转动到与横轴线的右侧夹角为0-45度之间的位置，完成向右斜行行驶。

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