CN110696917A - 翼帆车、翼帆车控制方法、装置及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种翼帆车、翼帆车控制方法、装置及存储介质，涉及机器人技术领域。所述翼帆车包括车体、翼帆模组和控制模块，车体包括车体框架、车轮和车轮转向装置，车轮和车轮转向装置设置在车体框架上；翼帆模组包括翼帆、翼帆转向装置，翼帆设置在翼帆转向装置上，翼帆转向装置设置在车体框架上；控制模块，包括处理器和风速风向传感器，风速风向传感器固定在车体上，风速风向传感器用于采集风速风向信息，处理器用于控制车轮转向装置调整车轮的角度，以及基于风速风向信息控制翼帆转向装置调整翼帆的角度。通过处理器基于风速风向自动调节翼帆角度来控制翼帆车的行进方向，提高了翼帆角度的控制精确程度及自动化程度。

Description

翼帆车、翼帆车控制方法、装置及存储介质

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种翼帆车、翼帆车控制方法、装置及存储介质。

背景技术

在执行地形探索、物资运输等任务时，利用风力资源行进的行进装置具有节约能源、可控性较强的优点，因此可采用帆车机器人等设备执行上述任务。

但是现有的小型陆帆车，仍然采用传统的软帆和缆绳拉帆，不能精确地控制帆的角度，从而影响了陆帆车的行进精度，且通常不具备进行帆及车辆行进方向角度进行自动化调整的控制系统，也对陆帆车的行进方向精确程度产生了不利影响。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种翼帆车、翼帆车控制方法、装置及存储介质，以改善现有技术中存在的翼帆角度控制精度及自动化程度较低的问题。

本申请实施例提供了一种翼帆车，所述翼帆车包括车体、翼帆模组和控制模块；所述车体包括车体框架、车轮和车轮转向装置，所述车轮和所述车轮转向装置设置在所述车体框架上；所述翼帆模组包括翼帆、翼帆转向装置，所述翼帆设置在所述翼帆转向装置上，所述翼帆转向装置设置在所述车体框架上；所述控制模块，包括处理器和风速风向传感器，所述处理器分别与所述风速风向传感器、所述车轮转向装置和所述翼帆转向装置电连接，所述风速风向传感器固定在所述车体上，所述风速风向传感器用于采集风速风向信息，所述处理器用于控制所述车轮转向装置调整所述车轮的角度，以及基于所述风速风向信息控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的角度。

在上述实现过程中，不采用拉绳调整翼帆角度，而是通过翼帆转向装置直接驱动翼帆，对翼帆的角度直接进行调节，能够提高翼帆角度调节的灵敏度和精确度；同时翼帆车采用控制模块，通过风速风向传感器获得的风速风向信息对翼帆的角度进行实时调控，提高了翼帆控制的自动化程度，并进一步提高了其调控精确度和调控效率。

可选地，所述翼帆模块还包括翼帆支架和翼帆座，所述翼帆通过胶接方式固定在所述翼帆座上，所述翼帆座与所述翼帆转向装置固定连接，所述翼帆转向装置固定设置在所述翼帆支架上，所述翼帆支架固定设置在所述车体框架上；所述翼帆为指定泡沫材料制成的刚性翼帆，所述指定泡沫材料包括聚苯乙烯泡沫。

在上述实现方式中，直接将翼帆及翼帆座固定翼帆转向装置上，提高了翼帆转向装置的输出效率，从而能够对翼帆角度进行更加精确、高效地调控；采用指定泡沫材料制成的翼帆，在受风及转动时结构不易产生显著的形变，从而能够进行精确控制。

可选地，所述翼帆外层设置有包覆所述翼帆的保护层。

在上述实现方式中，通过保护层的设置提高了翼帆的可靠性。

可选地，所述翼帆的内部设置有支撑管，用于防止所述翼帆横向折断，所述支撑管包括碳纤维管。

在上述实现方式中，通过碳纤维管等支撑管对翼帆进行防折支撑，进一步提高了翼帆的可靠性。

可选地，所述控制模块还包括超带宽被测标签和惯性测量单元，所述超带宽被测标签用于与超带宽定位系统进行通信连接，所述超带宽定位系统用于通过对所述超带宽被测标签进行定位来确定所述翼帆车的定位信息，所述惯性测量单元用于确定所述翼帆车的朝向信息，所述处理器分别与所述超带宽定位系统和所述惯性测量单元连接，所述处理器用于基于所述定位信息、所述朝向信息和所述风速风向信息控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的角度，以及基于所述定位信息和所述朝向信息控制所述车轮转向装置调整所述车轮的角度。

在上述实现方式中，在基于定位信息、朝向信息和风速风向信息控制翼帆转向装置调整翼帆的角度的同时，基于定位信息、朝向信息控制车轮转向装置对车轮的角度进行独立调节，将翼帆的控制和翼帆车前进方向的控制两个控制过程解耦，可以有效地降低控制难度，提高系统的鲁棒性。

可选地，所述车轮包括转向左轮和转向右轮，所述转向左轮与所述转向右轮的支撑端分别通过转轴与所述车体框架连接，所述转向左轮和所述转向右轮的支撑端分别与左短连杆和右短连杆固定连接，所述左短连杆和所述右短连杆与长连杆的两端转动连接，所述转向左轮或所述转向右轮的转轴通过曲柄连杆与所述车轮转向装置连接。

在上述实现方式中，通过短连杆和长连杆的组合将转向左轮和转向右轮连接到一起，保证两者能够以转轴为中心相对车体作同步转向运动，提高了翼帆车的方向可控性。

本申请实施例提供了一种翼帆车控制方法，应用于上述翼帆车，所述方法包括：采集所述风速风向信息；采集所述翼帆车的朝向信息；获取所述翼帆车的所述定位信息；基于所述定位信息、所述朝向信息和所述风速风向信息控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的角度；基于所述定位信息和所述朝向信息控制所述车轮转向装置调整所述车轮的角度。

在上述实现方式中，在基于定位信息、朝向信息和风速风向信息控制翼帆转向装置调整翼帆的角度的同时，基于定位信息、朝向信息控制车轮转向装置对车轮的角度进行独立调节，将翼帆的控制和翼帆车前进方向的控制两个控制过程解耦，可以有效地降低控制难度，提高系统的鲁棒性，提高了翼帆车行进角度的调控精度。

可选地，所述基于所述风速风向信息、所述朝向信息和所述风速风向信息控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的角度，包括：基于所述定位信息和所述朝向信息确定所述翼帆车的目标行驶速度V₀、当前行驶速度V、翼帆车攻角γ；基于所述风速风向信息将来风方向确定为零度方向；根据所述零度方向确定所述翼帆的翼帆攻角α；基于所述翼帆车的所述目标行驶速度V₀、所述当前行驶速度V、所述翼帆车攻角γ、所述翼帆攻角α和翼帆输入角度公式控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的角度；所述翼帆输入角度公式包括：η(k+1)＝η(k)+K_pe(k)+K_d(e(k)-e(k-1))，其中，η为所述处理器的比例微分控制器中输入的翼帆输入角度，η＝γ-α，k为时刻，K_p和K_d为比例微分控制参数，e(k)为k时刻的速度误差，e(k)＝V₀(k)-V(k)。

在上述实施方式中，通过翼帆输入角度公式，基于风速风向信息、朝向信息和定位信息进行实时地翼帆角度调控计算，通过比例微分控制器输出翼帆角度控制参数，提高了翼帆角度的调控效率和精度。

可选地，所述基于所述定位信息和所述朝向信息调整所述车轮的角度，包括：基于所述定位信息和所述朝向信息确定所述翼帆车需要的行驶角度γ₀；基于所述行驶角度γ₀和车轮角度输入公式控制所述车轮转向装置调整所述车轮的角度；所述车轮角度输入公式包括：γ(k+1)＝γ(k)+K_pe(k)+K_d(e(k)-e(k-1))，其中，γ为所述处理器的比例微分控制器中输入的车轮输入角度，k为时刻，e(k)为k时刻的翼帆车攻角误差，e(k)＝γ₀(k)-γ(k)。

在上述实施方式中，通过车轮角度输入公式，基于朝向信息和定位信息进行实时地车轮角度调控计算，通过比例微分控制器输出车轮角度控制参数，提高了车轮角度的调控效率和精度。

本申请实施例还提供了一种翼帆车控制装置，应用于上述翼帆车，所述装置包括：风速风向信息采集模块，用于采集所述风速风向信息；朝向信息采集模块，用于采集所述翼帆车的所述朝向信息；定位信息采集模块，用于获取所述翼帆车的所述定位信息；翼帆角度调整模块，用于基于所述定位信息、所述朝向信息和所述风速风向信息控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的角度；车轮角度调整模块，用于基于所述定位信息和所述朝向信息控制所述车轮转向装置调整所述车轮的角度。

在上述实现方式中，在基于定位信息、朝向信息和风速风向信息控制翼帆转向装置调整翼帆的角度的同时，基于定位信息、朝向信息控制车轮转向装置对车轮的角度进行独立调节，将翼帆的控制和翼帆车前进方向的控制两个控制过程解耦，可以有效地降低控制难度，提高系统的鲁棒性，提高了翼帆车行进角度的调控精度。

可选地，所述翼帆角度调整模块具体用于：基于所述定位信息和所述朝向信息确定所述翼帆车的目标行驶速度V₀、当前行驶速度V、翼帆车攻角γ；基于所述风速风向信息将来风方向确定为零度方向；根据所述零度方向确定所述翼帆的翼帆攻角α；基于所述翼帆车的所述目标行驶速度V₀、所述当前行驶速度V、所述翼帆车攻角γ、所述翼帆攻角α和翼帆输入角度公式控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的角度；所述翼帆输入角度公式包括：η(k+1)＝η(k)+K_pe(k)+K_d(e(k)-e(k-1))，其中，η为所述处理器的比例微分控制器中输入的翼帆输入角度，η＝γ-α，k为时刻，K_p和K_d为比例微分控制参数，e(k)为k时刻的速度误差，e(k)＝V₀(k)-V(k)。

在上述实施方式中，通过翼帆输入角度公式，基于风速风向信息、朝向信息和定位信息进行实时地翼帆角度调控计算，通过比例微分控制器输出翼帆角度控制参数，提高了翼帆角度的调控效率和精度。

可选地，所述车轮角度调整模块具体用于：基于所述定位信息和所述朝向信息确定所述翼帆车需要的行驶角度γ₀；基于所述行驶角度γ₀和车轮角度输入公式控制所述车轮转向装置调整所述车轮的角度；所述车轮角度输入公式包括：γ(k+1)＝γ(k)+K_pe(k)+K_d(e(k)-e(k-1))，其中，γ为所述处理器的比例微分控制器中输入的车轮输入角度，k为时刻，e(k)为k时刻的翼帆车攻角误差，e(k)＝γ₀(k)-γ(k)。

在上述实施方式中，通过车轮角度输入公式，基于朝向信息和定位信息进行实时地车轮角度调控计算，通过比例微分控制器输出车轮角度控制参数，提高了车轮角度的调控效率和精度。

本申请实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被一处理器读取并运行时，执行上述任一实现方式中的步骤。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种翼帆车的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种车轮的连接示意图；

图3为本申请实施例提供的一种翼帆模组的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种控制模块连接关系示意图；

图5为本申请实施例提供的一种翼帆车控制方法的流程示意图；

图6为本申请实施例提供的一种翼帆迎风时的受力示意图；

图7为本申请实施例提供的一种不同行驶方向对应产生最大升力的翼帆输入角度的示意图；

图8为本申请实施例提供的一种翼帆车控制装置的模块示意图。

图标：10-翼帆车；12-车体；122-车体框架；124-车轮；1241-转向左轮；1242-转向右轮；126-车轮转向装置；131-左短连杆；132-右短连杆；133-长连杆；134-曲柄连杆；14-翼帆模组；142-翼帆；144-翼帆转向装置；146-翼帆座；148-翼帆支架；16-控制模块；162-处理器；164-风速风向传感器；166-超带宽被测标签；168-惯性测量单元；30-翼帆车控制装置；31-风速风向信息采集模块；32-朝向信息采集模块；33-定位信息采集模块；34-翼帆角度调整模块；35-车轮角度调整模块。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

经本申请人研究发现，现有的陆帆车通常采用传统的软帆和缆绳拉帆，不利于对翼帆进行精确调控，同时还存在翼帆及车辆行进方向调节难度较大、效率较低的问题，且使用软帆一般会使陆帆车的体积较大，对风力条件要求较高，不容易携带运输且成本高昂。

为了解决上述问题，本申请实施例体用了一种翼帆车10。

请参考图1，图1为本申请实施例提供的一种翼帆车的结构示意图。

翼帆车10包括车体12、翼帆模组14和控制模块16，翼帆模组14和控制模块16设置在车体12上，且控制模块16与车体12和翼帆模组14的部分组件电连接。

车体12包括车体框架122、车轮124和车轮转向装置126，车轮124和车轮转向装置126设置在车体框架122上。

车体框架122为翼帆车10的整体框架结构，其结构与车体外壳相似，用于安装车轮转向装置126、翼帆模组14和控制模块16以及其他翼帆车10需要的功能部件。

可选地，考虑到翼帆车10需要在室内或室外的环境下进行短期或长期地行进，车体框架122应当具有较强的可靠性、防水性、耐高低温性、耐腐蚀性、轻便性等特性，因此本实施例中的车体12可以采用铝合金等合金制成，也可以是采用工程塑料等高分子聚合物制成，还可以是碳纤维等其他满足需求的材料制成。车体框架122的形状可以为与常见车体类似的矩形框架。

本实施例中车体框架122之间以及车体框架122与车轮转向装置126及其他部件的连接方式，可以选用螺栓连接、铰接、卡口连接等连接方式，具体可以根据该部件与车体框架122为活动连接或固定连接进行选择。

车轮124可以通过螺栓连接安装于车体框架122上，车轮124可以采用橡胶、金属、塑料等高强度、高韧性和轻便性较好的材料制成。具体地，本实施例中的车轮124可以包括一个或多个，本实施例中以车轮124为四个为例，其布局方式为常见的四角对称布局，以保证翼帆车10的稳定性。

可选地，要对翼帆车10的车轮行进方向进行调整，就需要设置转向轮，转向轮可以为两个前轮或两个后轮，也可以是车轮124中的所有轮均为转向轮，本实施例中以两个前轮(包括转向左轮和转向右轮)为转向轮举例。

本实施例中两个后轮的轮轴长度可以相对两个前轮较长，以提高抗侧翻性能，同时较短的前轮轮轴可以减小翼帆车10的转弯半径。

车轮转向装置126用于驱动车轮124中的转向轮进行角度偏转，可选地，车轮转向装置126可以是车轮舵机。舵机可以由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成，是一套自动控制装置，自动控制就是用一个闭环反馈控制回路不断校正输出的偏差，使系统的输出保持恒定。在本实施例中车轮舵机对车轮124的转向角度进行不断校正，从而实现车轮角度的精确调节。本实施例中可以根据翼帆车10的具体大小选择标准型、微型或绞盘型的舵机作为车轮舵机进行车轮124的角度调整。

请参考图2，图2为本申请实施例提供的一种车轮的连接示意图。

图2示出了车轮124中的转向左轮1241和转向右轮1242，转向左轮1241与转向右轮1242的支撑端分别通过转轴与车体框架122连接，以使转向左轮1241和转向右轮1242能够沿转轴相对车体框架122进行转动，来改变翼帆车10的行进方向。

可选地，为了使转向左轮1241和转向右轮1242能够进行同步转动，转向左轮1241和转向右轮1242的支撑端分别与左短连杆131和右短连杆132固定连接，左短连杆131和右短连杆132的另一端通过长连杆133连接，且左短连杆131、右短连杆132与长连杆133的连接方式为转动连接，通过左短连杆131、右短连杆132和长连杆133的转动配合实现转向左轮1241和转向右轮1242的同步转动。

应当理解的是，为了保证翼帆车10的转向精确度和平稳性，车轮124中的非转向轮也可以通过连杆的上述设置方式实现统一转向。

进一步地，为了以车轮转向装置126驱动转向轮进行角度调整，在转向右轮1242与右短连杆连接的另一侧对称处通过一曲柄连杆134与车轮转向装置126连接，从而使车轮转向装置126的力能够传递至转向右轮1242。其中，曲柄连杆134由活塞组、连杆组和曲轴、飞轮组等零部件组成，其功用是将往复运动转变为曲轴的旋转运动，同时将作用力转变为曲轴对外输出的转矩，以驱动转向轮转动。

可选地，在其他实施例中，也可以是通过转向左轮1241的曲柄连杆与车轮转向装置126连接。

可选地，上述转向轮的支撑端与连杆之间的固定连接可以是螺栓紧固连接，转动连接可以为销钉连接、圆柱连接等可绕轴旋转的连接方式。

请参考图3，图3为本申请实施例提供的一种翼帆模组的结构示意图。

翼帆模组14包括翼帆142和翼帆转向装置144，翼帆142设置在翼帆转向装置144上，翼帆转向装置144设置在车体框架122上。

可选地，为了提高翼帆模组14的稳定性，翼帆模组14还可以包括翼帆座146和翼帆支架148，翼帆142的底部固定在翼帆座146上，翼帆座146与翼帆转向装置144固定连接。

现有的陆帆车的翼帆通常为软帆，在受风时会产生形变，导致受风角度发生变化，为了提高翼帆142的转向准确性，本实施例的翼帆142为刚性材料制成。进一步地，为了降低翼帆142的重量，翼帆142可以为指定泡沫材料，例如聚苯乙烯泡沫、发泡聚丙烯泡沫等。

可选地，翼帆142的翼型可以为对称翼型，例如NACA0015、NACA0018、NACA0020等翼型。

在翼帆142为指定泡沫材料时，翼帆142与翼帆座146的连接方式可以采用胶接，也可以根据泡沫材料的特性采用其他可能的连接方式。胶接采用泡沫和塑料的专用胶，例如卡夫特704硅橡胶。

可选地，翼帆142在承受较大风力时，可能会出现形变或折断的情况，因此为了提高翼帆142的牢固性，本实施例可以在翼帆142中设置有支撑管，支撑管可以横向或纵向分布在翼帆142的内表面。

进一步地，为了防止翼帆受到撞击、磨损等出现破损，翼帆142的外表面还可以涂有保护层，例如塑料保护层等。

此类型的翼帆142能够有效降低翼帆车10的重心，提高抗侧翻性能，同时可以适当减少车轮124中的前后轮距离，提高机动性。

翼帆座146可以通过三维打印方式制作，其材料可以是合金、高分子材料等，能够更好地满足翼帆座146的结构强度需求，并且能够较大地缩短翼帆座146的制作周期。

应当理解的是，翼帆转向装置144可以采用舵机，且翼帆转向装置144包括舵机本体和舵机盘，翼帆座146的底部通过螺栓连接、焊接或其他连接方式固定在舵机盘上，翼帆支架148可以为呈“几”字型的金属片或高分子材料片，且翼帆支架148顶部开设有固定舵机本体并使舵机本体凸出翼帆支架148顶部平面的通孔，舵机盘与舵机本体的输出轴连接。可选地，翼帆支架148与舵机本体的连接可以为螺栓连接、焊接或其他连接方式。舵机驱动舵机盘转动时，翼帆座146也随之转动，从而带动翼帆142旋转，提高了翼帆142的控制效率和精度。

进一步地，翼帆转向装置144可以通过螺栓连接固定在翼帆支架148上，翼帆支架148通过螺栓连接固定设置在车体框架122上。考虑到连接稳定性和结构强度，以方便翼帆142的精准转向，翼帆转向装置144与翼帆支架148的连接处安装孔以及翼帆支架148与车体框架122的连接处安装孔可以为多个，例如2个、3个、4个等。

控制模块16包括处理器162和风速风向传感器164，处理器162与风速风向传感器164电连接。可选地，考虑到处理器162为易损电子元器件，控制模块16可以设置在车体框架122内，并用保护壳、保护盒等密封保护。风速风向传感器164是用于检测翼帆车10的受风方向和受风力度，因此风速风向传感器164可以设置在翼帆车10暴露在空气中的任一位置。

处理器162可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。所述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessingUnit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

可选地，本实施例中的处理器162可以为树莓派(Raspberry Pi)，树莓派是一款基于ARM(Advanced RISC Machine)的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有1/2/4个USB接口和一个10/100以太网接口(A型没有网口)，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和高清多媒体接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备个人计算机的基本功能，能执行如电子表格、文字处理、逻辑运算等诸多功能。本实施例采用树莓派作为处理器162，能够进一步提高翼帆车10的轻便性，同时利用树莓派的低成本优势降低整体设备成本。

风速风向传感器164可以为超声波风速方向传感器，用于采集风速风向信息。超声波风速方向传感器是利用发送声波脉冲，测量接收端的时间或频率(多普勒变换)差别来计算风速和风向的风速风向测量仪器。超声波风速传感器它具有重量轻、没有任何移动部件、坚固耐用的特点，而且不需维护和现场校准，能同时输出风速和风向，能够在较热或冰冷环境下使用，因而能全天候地、长久地正常工作，因此，本实施例可以选用超声波风速传感器作为风速风向传感器164。

可选地，本实施例将风速风向传感器164设置在车体框架122的前端，其朝向与翼帆车10的行进方向大致相同(可以理解为风速风向传感器164的朝向与翼帆车10的行进方向之间的角度小于预设角度，该预设角度可以根据实际需求来设置)，以在没有遮挡的情况下精准地确定翼帆车10行进方向上的受风风向和风力大小。

处理器162在确定了风速风向信息后，能够基于风速风向信息进行翼帆142的角度调整，为翼帆车10的行进提供动力，进一步地，若结合翼帆车10的目标行进方向和当前行进方向，能够将翼帆142调整为更加适合翼帆车10行进的角度。因此，本实施例中的控制模块16可以包括超带宽被测标签166和惯性测量单元168，超带宽被测标签166用于与超带宽定位系统进行通信连接，由超带宽定位系统确定翼帆车10的定位信息并将该定位信息发送至处理器162，惯性测量单元168用于确定翼帆车10的朝向信息。

超带宽被测标签166可以视为超带宽定位系统的一部分，超带宽(Ultra Wide-Band，UWB)是一种新型的无线通信技术，其工作频带为3.1～10.6GHz，UWB信号的发生可通过发射时间极短(如2ns)的窄脉冲(如二次高斯脉冲)通过微分或混频等上变频方式调制到UWB工作频段实现，其具有精度高、容量高、功耗低的优点。

具体地，超带宽定位系统可以包括多个(一般为大于等于三个)定位基站，多个定位基站向设置于翼帆车10上的超带宽被测标签166发送脉冲信号，然后分别接收超带宽被测标签166的返回信号，再通过计算设备基于飞行时间测距法(Time of Flight，ToF)，通过测量脉冲信号从出发到返回的时间，乘以传播速度，得到往返一次的距离，除以2即为超带宽被测标签166到定位基站间的距离，定位基站的坐标已知，测得超带宽被测标签166到基站距离后，通过多点定位法画出定位基站个数的圆，交点即为超带宽被测标签166的位置，从而确定了翼帆车10的定位信息。

惯性测量单元168是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。可选地，本实施例中的惯性测量单元168包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出翼帆车10的姿态，获得翼帆车10的朝向信息。

具体地，控制模块16的各组件以及翼帆转向装置144、车轮转向装置126的连接关系可以参考图4，图4为本申请实施例提供的一种控制模块连接关系示意图。其中，超带宽定位系统与处理器162可以为同一局域网下的无线通信连接，则处理器162可以通过TCP/IP等协议获取超带宽定位系统的定位信息。

处理器162基于定位信息、朝向信息和风速风向信息控制翼帆转向装置144调整翼帆142的角度，同时基于定位信息、朝向信息控制车轮转向装置126调整转向轮的角度。从而将翼帆142的控制和翼帆车10前进方向的控制两个控制过程解耦，可以有效地降低控制难度，提高系统的鲁棒性，提高了翼帆车10行进角度的调控精度。

其中，基于定位信息、朝向信息和风速风向信息如何调整翼帆角度，基于定位信息、朝向信息如何调整车轮角度，将于后面的翼帆车控制方法中进行具体说明。

为了更精确地控制翼帆车10的行进方向，本实施例还提供了一种翼帆车控制方法。

请参考图5，图5为本申请实施例提供的一种翼帆车控制方法的流程示意图，该翼帆车控制方法的执行主体为翼帆车10，一般通过处理器162实现，该方法的具体步骤可以如下：

步骤S21：采集风速风向信息。

步骤S22：采集翼帆车的朝向信息。

步骤S23：获取翼帆车的定位信息。

定位信息是超带宽定位系通过对超带宽被测标签进行定位获取的。

步骤S24：基于定位信息、朝向信息和风速风向信息控制翼帆转向装置调整翼帆的角度。

具体地，步骤S24可以包括如下子步骤：

步骤S24.1：基于定位信息和朝向信息确定翼帆车的目标行驶速度V₀、当前行驶速度V、翼帆车攻角γ。

本实施例可以通过定位信息和朝向信息确定翼帆车10的行驶路线及规划，在行驶规划中包含有翼帆车10的目标行驶速度V₀，目标行驶速度V₀和翼帆车10的当前行驶速度V是带有方向的矢量，因此需要通过定位信息和朝向信息确定。

翼帆142受风时提供的力是翼帆车10主要的动力来源，翼帆车10顺风行驶时，风主要通过推动翼帆142的帆面从而使帆车前进，在帆面垂直风向时推力最大，平行于风向时推力最小，则处理器控制翼帆转向装置144调节翼帆142的帆面与风向垂直即可获得最大速度。

翼帆车10迎风行驶时，请参考图6，图6为本申请实施例提供的一种翼帆迎风时的受力示意图。

步骤S24.2：基于风速风向信息将来风方向确定为零度方向，即0°。

步骤S24.3：根据所述零度方向确定翼帆的翼帆攻角α。

攻角为速度矢量在纵向对称面上的投影与运动物体轴线之间的夹角，则需要根据当前行驶速度V和翼帆142的当前角度确定翼帆攻角α。其中，翼帆142的当前角度可以是通过翼帆142上的惯性测量单元确定，也可以是根据翼帆142转动角度记录确定。

步骤S24.4：基于翼帆车的目标行驶速度V₀、当前行驶速度V、翼帆车攻角γ、翼帆攻角α和翼帆输入角度公式控制翼帆转向装置调整翼帆的角度。

翼帆车10的翼帆车攻角γ可以通过朝向信息和当前行驶速度V来确定，则处理器162需要对翼帆转向装置144的翼帆输入角度为η＝γ-α。具体地，合力可以分别在帆车前进方向和横向上分解为两个分力，其中

为升力，分别提供帆车迎风行驶的前进拉力以及横移的侧倾力。实际上，每个翼帆车攻角γ都对应一个最佳的翼帆攻角α_max，通过Fluent仿真和吹风实验可以拟合得到，请参考图7，图7为本申请实施例提供的一种不同行驶方向对应产生最大升力的翼帆输入角度的示意图。而当翼帆攻角α与翼帆车攻角γ渐渐接近时，翼帆车10的前进拉力逐渐变小，最终变为0，甚至为阻力。

因此本实施例可以通过比例微分控制器统一顺风和迎风的角度控制，其中，比例微分控制器的控制规律是：当被控变量发生偏差时，调节器的输出信号增量与偏差大小及偏差对时间的微分(偏差变换速度)成正比。该翼帆输入角度公式包括η(k+1)＝η(k)+K_pe(k)+K_d(e(k)-e(k-1))，其中，k为时刻，K_p和K_d为比例微分控制参数，e(k)为k时刻的速度误差，e(k)＝V₀(k)-V(k)。

值得注意的是，在顺风和迎风条件下，参数K_p和K_d应是不同的。顺风时，控制翼帆142的翼帆输入角度η(k)的范围是0°～90°，而逆风时0°～η_max，其中η_max＝γ_max-α_max。当控制输入超出范围时，应输入相应的上界或下界。

步骤S25：通过处理器基于定位信息和朝向信息控制车轮转向装置调整车轮的角度。

具体地，步骤S25可以包括如下子步骤：

步骤S25.1：基于定位信息和朝向信息确定翼帆车需要的行驶角度γ₀。

本实施例可以通过定位信息和朝向信息确定翼帆车10的行驶路线及规划，在行驶规划中包含有翼帆车10的目标行驶速度V₀，目标行驶速度V₀中包含有翼帆车10需要的行驶角度γ₀。

步骤S25.2：基于行驶角度γ₀和车轮角度输入公式控制车轮转向装置调整车轮的角度。

车轮角度输入公式包括：γ(k+1)＝γ(k)+K_pe(k)+K_d(e(k)-e(k-1))，其中，γ为处理器162在比例微分控制器中输入的车轮输入角度，k为时刻，e(k)为k时刻的翼帆车攻角误差，e(k)＝γ₀(k)-γ(k)。

应当理解的是，本实施例将翼帆车攻角作为车轮输入角度，二者可以等同。

在上述实现方式中，在基于定位信息、朝向信息和风速风向信息控制翼帆转向装置144调整翼帆142的角度的同时，基于定位信息、朝向信息控制车轮转向装置对车轮124中转向轮的角度进行独立调节，将翼帆142的控制和翼帆车10前进方向的控制两个控制过程解耦，并分别通过比例微分控制器对两者的角度进行调整，可以有效地降低控制难度，提高系统的鲁棒性，提高了翼帆车10行进角度的调控精度。

为了配上述翼帆车控制方法，本实施例还提供了一种翼帆车控制装置30。请参考图8，图8为本申请实施例提供的一种翼帆车控制装置的模块示意图。

翼帆车控制装置30包括：

风速风向信息采集模块31，用于采集风速风向信息；

朝向信息采集模块32，用于采集翼帆车的朝向信息；

定位信息采集模块33，用于获取翼帆车的定位信息；

翼帆角度调整模块34，用于基于定位信息、朝向信息和风速风向信息控制翼帆转向装置调整翼帆的角度；

车轮角度调整模块35，用于基于定位信息和朝向信息控制车轮转向装置调整车轮的角度。

可选地，翼帆角度调整模块34具体用于：基于定位信息和朝向信息确定翼帆车的目标行驶速度V₀、当前行驶速度V、翼帆车攻角γ；通过处理器基于风速风向信息将来风方向确定为零度方向；根据所述零度方向确定翼帆的翼帆攻角α；基于翼帆车的目标行驶速度V₀、当前行驶速度V、翼帆车攻角γ、翼帆攻角α和翼帆输入角度公式控制翼帆转向装置调整翼帆的角度；翼帆输入角度公式包括：η(k+1)＝η(k)+K_pe(k)+K_d(e(k)-e(k-1))，其中，η为处理器的比例微分控制器中输入的翼帆输入角度，η＝γ-α，k为时刻，K_p和K_d为比例微分控制参数，e(k)为k时刻的速度误差，e(k)＝V₀(k)-V(k)。

可选地，车轮角度调整模块35具体用于：基于定位信息和朝向信息确定翼帆车需要的行驶角度γ₀；基于行驶角度γ₀和车轮角度输入公式控制车轮转向装置调整车轮的角度；车轮角度输入公式包括：γ(k+1)＝γ(k)+K_pe(k)+K_d(e(k)-e(k-1))，其中，γ为处理器的比例微分控制器中输入的车轮输入角度，k为时刻，e(k)为k时刻的翼帆车攻角误差，e(k)＝γ₀(k)-γ(k)。

本申请实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被一处理器读取并运行时，执行翼帆车控制方法中的步骤。

综上所述，本申请实施例提供了一种翼帆车、翼帆车控制方法、装置及存储介质，所述翼帆车包括车体、翼帆模组和控制模块；车体包括车体框架、车轮和车轮转向装置，车轮和车轮转向装置设置在车体框架上；翼帆模组包括翼帆、翼帆转向装置，翼帆设置在翼帆转向装置上，翼帆转向装置设置在车体框架上；控制模块，包括处理器和风速风向传感器，处理器分别与风速风向传感器、车轮转向装置和翼帆转向装置电连接，风速风向传感器固定在车体上，风速风向传感器用于采集风速风向信息，处理器用于控制车轮转向装置调整车轮的角度，以及基于风速风向信息控制翼帆转向装置调整翼帆的角度。

在上述实现过程中，不采用拉绳调整翼帆角度，而是通过翼帆转向装置直接驱动翼帆，对翼帆的角度直接进行调节，能够提高翼帆角度调节的灵敏度和精确度；同时翼帆车采用控制模块，通过风速风向传感器获得的风速风向信息对翼帆的角度进行实时调控，提高了翼帆控制的自动化程度，并进一步提高了其调控精确度和调控效率。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的框图显示了根据本申请的多个实施例的设备的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图中的每个方框、以及框图的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。因此本实施例还提供了一种可读取存储介质中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被一处理器读取并运行时，执行区块数据存储方法中任一项所述方法中的步骤。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RanDOm Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (11)

1.一种翼帆车，其特征在于，所述翼帆车包括：车体、翼帆模组和控制模块；

所述车体包括车体框架、车轮和车轮转向装置，所述车轮和所述车轮转向装置设置在所述车体框架上；

所述翼帆模组包括翼帆、翼帆转向装置，所述翼帆设置在所述翼帆转向装置上，所述翼帆转向装置设置在所述车体框架上；

所述控制模块，包括处理器和风速风向传感器，所述处理器分别与所述风速风向传感器、所述车轮转向装置和所述翼帆转向装置电连接，所述风速风向传感器固定在所述车体上，所述风速风向传感器用于采集风速风向信息，所述处理器用于控制所述车轮转向装置调整所述车轮的角度，以及基于所述风速风向信息控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的角度。

2.根据权利要求1所述的翼帆车，其特征在于，所述翼帆模块还包括翼帆支架和翼帆座，所述翼帆通过胶接方式固定在所述翼帆座上，所述翼帆座与所述翼帆转向装置固定连接，所述翼帆转向装置固定设置在所述翼帆支架上，所述翼帆支架固定设置在所述车体框架上；

所述翼帆为指定泡沫材料制成的刚性翼帆，所述指定泡沫材料包括聚苯乙烯泡沫。

3.根据权利要求2所述的翼帆车，其特征在于，所述翼帆外层设置有包覆所述翼帆的保护层。

4.根据权利要求2或3所述的翼帆车，其特征在于，所述翼帆的内部设置有支撑管，用于防止所述翼帆横向折断，所述支撑管包括碳纤维管。

5.根据权利要求1所述的翼帆车，其特征在于，所述控制模块还包括超带宽被测标签和惯性测量单元，所述超带宽被测标签用于与超带宽定位系统进行通信连接，所述超带宽定位系统用于通过对所述超带宽被测标签进行定位来确定所述翼帆车的定位信息，所述惯性测量单元用于确定所述翼帆车的朝向信息，所述处理器分别与所述超带宽定位系统和所述惯性测量单元连接，所述处理器用于基于所述定位信息、所述朝向信息和所述风速风向信息控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的角度，以及基于所述定位信息和所述朝向信息控制所述车轮转向装置调整所述车轮的角度。

6.根据权利要求1所述的翼帆车，其特征在于，所述车轮包括转向左轮和转向右轮，所述转向左轮与所述转向右轮的支撑端分别通过转轴与所述车体框架连接，所述转向左轮和所述转向右轮的支撑端分别与左短连杆和右短连杆固定连接，所述左短连杆和所述右短连杆与长连杆的两端转动连接，所述转向左轮或所述转向右轮的转轴通过曲柄连杆与所述车轮转向装置连接。

7.一种翼帆车控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-6任一项所述的翼帆车，所述方法包括：

采集所述风速风向信息；

采集所述翼帆车的朝向信息；

获取所述翼帆车的定位信息；

基于所述定位信息、所述朝向信息和所述风速风向信息控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的角度；

基于所述定位信息和所述朝向信息控制所述车轮转向装置调整所述车轮的角度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于所述风速风向信息、所述朝向信息和所述风速风向信息控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的角度，包括：

基于所述定位信息和所述朝向信息确定所述翼帆车的目标行驶速度V₀、当前行驶速度V、翼帆车攻角γ；

基于所述风速风向信息将来风方向确定为零度方向；

根据所述零度方向确定所述翼帆的翼帆攻角α；

基于所述翼帆车的所述目标行驶速度V₀、所述当前行驶速度V、所述翼帆车攻角γ、所述翼帆攻角α和翼帆输入角度公式控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的角度；

所述翼帆输入角度公式包括：η(k+1)＝η(k)+K_pe(k)+K_d(e(k)-e(k-1))，其中，η为所述处理器的比例微分控制器中输入的翼帆输入角度，η＝γ-α，k为时刻，K_p和K_d为比例微分控制参数，e(k)为k时刻的速度误差，e(k)＝V₀(k)-V(k)。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于所述定位信息和所述朝向信息调整所述车轮的角度，包括：

基于所述定位信息和所述朝向信息确定所述翼帆车需要的行驶角度γ₀；

基于所述行驶角度γ₀和车轮角度输入公式控制所述车轮转向装置调整所述车轮的角度；

所述车轮角度输入公式包括：γ(k+1)＝γ(k)+K_pe(k)+K_d(e(k)-e(k-1))，其中，γ为所述处理器的比例微分控制器中输入的车轮输入角度，k为时刻，e(k)为k时刻的翼帆车攻角误差，e(k)＝γ₀(k)-γ(k)。

10.一种翼帆车控制装置，其特征在于，应用于如权利要求1-6任一项所述的翼帆车，所述装置包括：

风速风向信息采集模块，用于采集所述风速风向信息；

朝向信息采集模块，用于采集所述翼帆车的所述朝向信息；

定位信息采集模块，用于获取所述翼帆车的所述定位信息；

翼帆角度调整模块，用于基于所述定位信息、所述朝向信息和所述风速风向信息控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的角度；

车轮角度调整模块，用于基于所述定位信息和所述朝向信息控制所述车轮转向装置调整所述车轮的角度。

11.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被一处理器运行时，执行权利要求7或9所述的翼帆车控制方法。

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