CN111319416A - 一种主动悬架式星球车抬轮行走控制方法及系统 - Google Patents

一种主动悬架式星球车抬轮行走控制方法及系统 Download PDF

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CN111319416A CN202010167835.1A CN202010167835A CN111319416A CN 111319416 A CN111319416 A CN 111319416A CN 202010167835 A CN202010167835 A CN 202010167835A CN 111319416 A CN111319416 A CN 111319416A
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Abstract

一种主动悬架式星球车抬轮行走控制方法及系统，首先，需要控制夹角调整机构运动，对星球车系统质心位置进行合理调整，以保证星球车能抬起目标车轮并且抬轮后整车稳定；其次，通过离合器机构将星球车主副摇臂锁死，使主副摇臂间无法相对转动；再次，控制夹角调整机构运动，实现目标车轮抬升，而夹角调整机构的相对运动角度由车轮抬升高度决定；最后，控制星球车其余未抬起车轮驱动机构运动，则可实现星球车抬轮后的行走。

Description

一种主动悬架式星球车抬轮行走控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种主动悬架式星球车抬轮行走控制方法及系统，属于移动机器人技术领域，用于星球车在轨车轮沉陷或故障情况下进行抬轮行走的控制。
背景技术
能自主移动且搭载有效载荷的星球车是实现火星巡视探测的主要手段，火星表面存在风和尘暴，表面地形转换很快，部分沙地表面有一层硬的砂石壳，内部是软沙土，易造成星球车车轮无征兆的大量沉陷。美国的机遇号和勇气号星球车均由于发生沉陷无法脱离而导致任务失败，沉陷和脱困一直是困扰星球车的技术难点。
传统的星球车均采用被动悬架式移动系统，星球车不具备构型调整和抬轮脱陷能力，中国正在开展火星探测任务研制，星球车将采用全新的主动悬架式移动系统，通过悬架的主动变形，可实现车体高度调整、抬轮行走等扩展功能，有效提升星球车沉陷脱困能力和障碍通过性能，如图1所示，专利“主动悬架式星球车移动机构”(CN105235468B)中对主动悬架式移动系统具体组成及总体功能进行了较详细介绍，“主动悬架式火星车主摇臂长短段张角调节机构”(CN105150789B)中对夹角调节机构组成及原理进行了介绍，但针对各功能实现的具体算法没有说明，本申请将在其基础上主要针对主动悬架式移动系统抬轮行走的具体控制算法进行说明，对星球车抬轮行走控制实现至关重要，现有文献均未见有相关内容。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种主动悬架式星球车抬轮行走控制方法，应用于新型主动悬架式星球车抬轮行走控制，解决星球车车轮沉陷无法脱困以及车轮故障后影响正常运动的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种主动悬架式星球车抬轮行走控制方法，主动悬架式星球车包括六套车轮驱动机构、六套车轮转向机构、两套夹角调整机构、两套离合器机构以及组成悬架的主副摇臂，其中车轮驱动机构和转向机构实现主动悬架式星球车的行走与转向，通过夹角调整机构和离合器机构配合实现抬轮行走功能；
抬轮行走控制方法包括如下步骤：
(1)对主动悬架式星球车进行抬升前轮行走控制；
(2)对主动悬架式星球车进行抬升中轮行走控制；
(3)对主动悬架式星球车进行抬升后轮行走控制。
进一步的，主动悬架式星球车通过夹角调整机构进行车体离地高度调整，根据夹角调整机构中角度测量器件位置旋变所测量角度值，确定星球车车体高度，夹角调整机构转角α与车体离地高度H之间关系为
Figure BDA0002408084610000021
其中，α为主摇臂前段和主摇臂后段间夹角，H为车厢底面距地高度，h1为夹角调整机构中心轴线距车厢底面高度，R为车轮半径，h2为主副摇臂铰接点与车轮轴线竖直距离，L1为主摇臂前段长度，L2为主摇臂后段长度。
进一步的，所述对主动悬架式星球车进行抬升前轮行走控制，具体为：
步骤101，将星球车系统质心调整至两中轮与地面接触点连线的后方；
根据星球车构型关系，车体离地高度增加，系统质心向后方运动，星球车车体离地最大高度为Hmax，则可求取夹角调整机构对应角度αmax，控制夹角调整机构运动，目标角度αmax；
步骤102，控制离合器啮合运动，使得主副摇臂锁死；
离合器初始为啮开状态，主副摇臂间可自由转动，抬轮操作前，控制离合器进行啮合运动，离合器中配置有到位开关，当到位开关触发后离合器自动停止运动，主副摇臂间锁死，不能相对转动；
步骤103，控制夹角调整机构运动，使得车体高度降低，前轮抬升；
控制夹角调整机构运动，使车体距地高度降低，随着车体高度降低，前轮逐渐抬起，直至前车轮抬升到目标高度，夹角调整机构停止运动；
步骤104，控制非抬升车轮驱动机构工作，实现前轮抬升行走。
进一步的，步骤103中，夹角调整机构运动目标角度α1，根据抬轮前车体高度Hmax以及目标抬轮高度hqtai计算求取；
星球车前轮抬升高度与夹角调整机构角度间关系通过下面方程组确定：
hqtai＝W11H11＝AH11-O1C (1-1)
AH11＝O1W3·sin∠O1W3D (1-2)
Figure BDA0002408084610000031
Figure BDA0002408084610000032
Figure BDA0002408084610000033
O1C＝O1W11·sin∠O1W11C (1-6)
∠O1W11C＝π-α1-∠O2O1B (1-7)
Figure BDA0002408084610000034
将式(1-3)至(1-5)代入式(1-2)中得到AH11，将式(1-7)、(1-8)代入式(1-6)中得到O1C，将式(1-2)和式(1-6)结果代入式(1-1)，获得前轮抬升高度hqtai，同时，在已知W11H11和γ1时，可以反求α1；
其中，W11H11为前轮抬升高度，AH11为夹角调整机构轴线与前轮抬升前车轮轴线间竖直距离，O1C为夹角调整机构轴线与前轮抬升后车轮轴线间竖直距离，O1W3为夹角调整机构中心与后轮中心间距离，∠O1W3D为夹角调整机构中心和后轮中心连线与水平地面间夹角，O1O2为主摇臂后段长度，O2W3为副摇臂长度，γ1为主摇臂后段与副摇臂前段间夹角，
Figure BDA0002408084610000035
为副摇臂前段与后段间夹角，∠O1W3O2为夹角调整机构中心和后轮中心连线与副摇臂后段间夹角，O1W11为主摇臂前段长度，∠O1W11C为主摇臂前段与水平地面间夹角，α1为前轮抬升后夹角调整机构前段和后段间夹角，∠O2O1B为主摇臂后段与水平地面间夹角。
进一步的，所述对主动悬架式星球车进行抬升中轮行走控制，具体为：
步骤201，调整星球车车体高度，使得车体离地高度低于预设阈值，以保证中轮抬升过程星球车不会由于高度过高产生危险；
根据星球车构型关系，抬升中轮前将星球车车体离地高度调整为Hmin，则求取夹角调整机构对应角度αmin，控制夹角调整机构运动，目标角度αmin；
步骤202，控制离合器啮合运动，使得主副摇臂锁死；
离合器初始为啮开状态，主副摇臂间可自由转动，抬轮操作前，控制离合器进行啮合运动，离合器中配置有到位开关，当到位开关触发后离合器自动停止运动，主副摇臂间锁死，不能相对转动；
步骤203，控制夹角调整机构运动，使得车体高度增加，中轮抬升；
控制夹角调整机构运动，使车体距地高度增加，随着车体高度增加，中轮逐渐抬起，直至车轮抬升到目标高度，夹角调整机构停止运动；夹角调整机构运动目标角度α3，可根据抬轮前车体高度Hmin以及目标抬轮高度hztai计算求取；
步骤204，控制非抬升车轮驱动机构以一定速度运动，实现前轮抬升行走。
进一步的，步骤203中，夹角调整机构运动目标角度α3，根据抬轮前车体高度Hmin以及目标抬轮高度hztai计算求取；
星球车中轮抬升高度与夹角调整机构角度间关系通过下面方程组确定：
hztai＝W21H21＝W1W21·sin∠W21W1H21 (2-1)
Figure BDA0002408084610000041
Figure BDA0002408084610000042
∠W1O1W21＝α3-∠O2O1W21 (2-4)
Figure BDA0002408084610000051
∠W21W1H21＝∠O1W1W3-∠O1W1W21 (2-6)
Figure BDA0002408084610000052
Figure BDA0002408084610000053
Figure BDA0002408084610000054
∠W1O1W3＝α3-∠W3O1O2 (2-10)
Figure BDA0002408084610000055
Figure BDA0002408084610000056
将式(2-2)至(2-12)代入式(2-1)，得到中轮抬升高度W21H21；同时，在已知W21H21和γ3时，可以反求α3；
其中，W21H21为中轮抬升高度，W1W21为前轮中心与中轮中心间距离，∠W21W1H21为前中轮中心连线与水平地面间夹角，O1W1为主摇臂前段长度，O1W21为夹角调整机构中心与中轮中心间距离，∠W1O1W21为主摇臂前段和夹角调整机构中心与中轮中心间连线间夹角，O1O2为主摇臂后段长度，O2W21为主副摇臂铰接点与中轮中心间距离，γ3为主摇臂后段与副摇臂前段间夹角，α3为中轮抬升后主摇臂前段与后段间夹角，∠O2O1W21为主摇臂后段和夹角调整机构中心与中轮中心间连线间夹角，O2W21为副摇臂前段长度，∠W21W1H21为前中轮中心连线与水平地面间夹角，∠O1W1W3为主摇臂前段与水平地面间夹角，∠O1W1W21为主摇臂前段和前中轮中心连线间夹角，∠W1O1W3为夹角调整机构中心和前轮中心连线与夹角调整机构中心和后轮中心连线间夹角，O1W为夹角调整机构中心和后轮中心间距离，W1W3为前后轮中心间距离，O1W3为夹角调整机构中心和后轮中心间距离，O2W3为副摇臂后段长度，
Figure BDA0002408084610000057
为副摇臂前段与后段间夹角，∠W3O1O2为主摇臂后段和夹角调整机构中心与后轮中心连线间夹角。
进一步的，所述对主动悬架式星球车进行抬升后轮行走控制，具体为：
步骤301，将星球车系统质心调整至两中轮与地面接触点连线的前方；
根据星球车构型关系，车体离地高度减小，系统质心向前方运动，抬升后轮前将星球车车体离地高度调整为Hmid，则求取夹角调整机构对应角度αmid，控制夹角调整机构运动，目标角度αmid；
步骤302，控制离合器啮合运动，使得主副摇臂锁死；
离合器初始为啮开状态，主副摇臂间可自由转动，抬轮操作前，控制离合器进行啮合运动，离合器中配置有到位开关，当啮合开关触发后离合器自动停止运动，主副摇臂间锁死，不能相对转动；
步骤303，控制夹角调整机构运动，使得车体高度降低，后轮抬升；
控制夹角调整机构运动，使车体距地高度降低，随着车体高度降低，后轮逐渐抬起，直至后车轮抬升到目标高度，夹角调整机构停止运动；夹角调整机构运动目标角度α2，可根据抬轮前车体高度Hmid以及目标抬轮高度hhtai计算求取；
步骤304，控制非抬升车轮驱动机构以一定速度运动，实现后轮抬升行走。
进一步的，步骤303中，夹角调整机构运动目标角度α2，根据抬轮前车体高度Hmid以及目标抬轮高度hhtai计算求取；
星球车后轮抬升高度与夹角调整机构角度间关系通过下面方程组确定：
hhtai＝W31H31＝W2W31·sin∠W31W2H31 (3-1)
Figure BDA0002408084610000061
∠W31W2H31＝π-∠W1W2O1-∠O1W2O2-∠O2W2W31 (3-3)
Figure BDA0002408084610000062
Figure BDA0002408084610000063
Figure BDA0002408084610000071
Figure BDA0002408084610000072
Figure BDA0002408084610000073
∠W1O1W2＝α2-∠W2O1O2 (3-9)
Figure BDA0002408084610000074
将式(3-2)至(3-10)代入式(3-1)，得到后轮抬升高度W31H31。同时，在已知W31H31和γ2时，可以反求α2；
其中，W31H31为后轮抬升高度，W2W31为中后轮中心间距离，∠W31W2H31为中后轮中心间连线与水平地面间夹角，O2W2为副摇臂前段长度，
Figure BDA0002408084610000075
为副摇臂前段和后段间夹角，∠W1W2O1为夹角调整机构中心和中轮轮心连线与水平地面间夹角，∠O1W2O2为夹角调整机构中心和中轮轮心连线与副摇臂前段间夹角，∠O2W2W31为中后轮轮心连线与副摇臂前段间夹角，O1W2为夹角调整机构中心和中轮轮心间距离，O1O2为主摇臂后段长度，γ2为主摇臂后段与副摇臂前段间夹角，W1W2为前中轮轮间距离，O1W1为主摇臂前段长度，∠W1O1W2为夹角调整机构中心和中轮轮心间连线与主摇臂前段间夹角，α2为主摇臂前段和主摇臂后段间夹角，∠W2O1O2为夹角调整机构中心和中轮轮心间连线与主摇臂后段间夹角。
进一步的，本发明还提出一种星球车抬轮行走控制系统，包括：
前轮控制模块：对主动悬架式星球车进行抬升前轮行走控制；
中轮控制模块：对主动悬架式星球车进行抬升中轮行走控制；
后轮控制模块：对主动悬架式星球车进行抬升后轮行走控制。
主动悬架式星球车包括六套车轮驱动机构、六套车轮转向机构、两套夹角调整机构、两套离合器机构以及组成悬架的主副摇臂，其中车轮驱动机构和转向机构实现主动悬架式星球车的行走与转向，通过夹角调整机构和离合器机构配合实现抬轮行走功能。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明设计的控制方法，通过夹角调整机构和离合器机构配合可实现主动悬架式星球车抬轮行走控制功能；
(2)本发明通过抬轮控制使故障车轮抬离地面，有效增强星球车故障容错能力，提高星球车使用寿命；
(3)本发明通过抬轮控制实现火星车蠕动行走或压实路面，提升火星车松软地形下沉陷脱困与通过性能。
附图说明
图1主动悬架式星球车构型组成示意图；
图2主动悬架式星球车悬架几何参数示意图；
图3抬升前轮星球车形态示意图；
图4抬升前轮悬架几何关系示意图；
图5抬升中轮星球车形态示意图；
图6抬升中轮悬架几何关系示意图；
图7抬升后轮星球车形态示意图；
图8抬升后轮悬架几何关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
主动悬架式星球车配置有1.车轮驱动机构(6套)；2.车轮转向机构(6套)；3.夹角调整机构(2套)；4.离合器机构(2套)，以及组成悬架的主副摇臂，详见图1，其中车轮驱动机构和转向机构的功能与传统被动悬架式星球车相同，主要实现星球车的行走与转向，而抬轮行走功能则是通过夹角调整机构和离合器机构配合实现。
星球车抬轮行走控制方案如下：首先，需要控制夹角调整机构运动，对星球车系统质心位置进行合理调整，以保证星球车能抬起目标车轮并且抬轮后整车稳定；其次，通过离合器机构将星球车主副摇臂锁死，使主副摇臂间无法相对转动；再次，控制夹角调整机构运动，实现目标车轮抬升，而夹角调整机构的相对运动角度由车轮抬升高度决定；最后，控制星球车其余未抬起车轮驱动机构运动，则可实现星球车抬轮后的行走。
下面分别对星球车抬升前轮行走、抬升中轮行走、抬升后轮行走的具体控制方法及原理进行说明，星球车悬架系统的几何参数详见图2。
主动悬架式星球车可通过夹角调整机构进行车体离地高度调整，结合图2，根据夹角调整机构中角度测量器件位置旋变所测量角度值，可确定星球车车体高度，夹角调整机构转角α与车体离地高度H之间关系为
Figure BDA0002408084610000091
下文中涉及车体高度调整均运用此公式计算。
其中，α为主摇臂前段和主摇臂后段间夹角，H为车厢底面距地高度，h1为夹角调整机构中心轴线距车厢底面高度，R为车轮半径，h2为主副摇臂铰接点与车轮轴线竖直距离，L1为主摇臂前段长度，L2为主摇臂后段长度。
(1)抬升前轮行走
结合图3、图4，给出根据本申请的星球车抬升前轮行走控制的一个实施示例流程100，包括以下步骤：
步骤101，将星球车系统质心调整至两中轮与地面接触点连线的后方。
在本实施示例中，根据星球车构型关系，车体离地高度增加，系统质心向后方运动，假设星球车车体离地最大高度为Hmax，则可根据公式(0-1)求取夹角调整机构对应角度αmax，控制夹角调整机构运动，目标角度αmax。
步骤102，控制离合器啮合运动，使得主副摇臂锁死。
离合器初始为啮开状态，主副摇臂间可自由转动，抬轮操作前，控制离合器进行啮合运动，离合器中配置有到位开关，当啮合开关触发后离合器自动停止运动，主副摇臂间锁死，不能相对转动。
步骤103，控制夹角调整机构运动，使得车体高度降低，前轮抬升。
控制夹角调整机构运动，使车体距地高度降低，随着车体高度降低，前轮逐渐抬起，直至车轮抬升到目标高度，夹角调整机构停止运动。夹角调整机构运动目标角度α1，可根据抬轮前车体高度Hmax以及目标抬轮高度hqtai计算求取。
参考图4定义，星球车前轮抬升高度与夹角调整机构角度间关系可通过下面方程组确定。
W11H11＝AH11-O1C (1-1)
AH11＝O1D＝O1W3·sin∠O1W3D (1-2)
Figure BDA0002408084610000101
Figure BDA0002408084610000102
Figure BDA0002408084610000103
O1C＝O1W11·sin∠O1W11C (1-6)
∠O1W11C＝π-α1-∠O2O1B (1-7)
Figure BDA0002408084610000104
将式(1-3)至(1-5)代入式(1-2)中得到AH11，将式(1-7)、(1-8)代入式(1-6)中得到O1C，将式(1-2)和式(1-6)结果代入式(1-1)，获得前轮抬升高度W11H11。同时，在已知W11H11和γ1时，可以反求α1。
其中，W11H11为前轮抬升高度，AH11为夹角调整机构轴线与前轮抬升前车轮轴线间竖直距离，O1C为夹角调整机构轴线与前轮抬升后车轮轴线间竖直距离，O1W3为夹角调整机构中心与后轮中心间距离，∠O1W3D为夹角调整机构中心和后轮中心连线与水平地面间夹角，O1O2为主摇臂后段长度，O2W3为副摇臂长度，γ1为主摇臂后段与副摇臂前段间夹角，
Figure BDA0002408084610000105
为副摇臂前段与后段间夹角，∠O1W3O2为夹角调整机构中心和后轮中心连线与副摇臂后段间夹角，O1W11为主摇臂前段长度，∠O1W11C为主摇臂前段与水平地面间夹角，α1为前轮抬升后夹角调整机构前段和后段间夹角，∠O2O1B为主摇臂后段与水平地面间夹角。
步骤104，控制非抬升车轮驱动机构以一定速度运动，实现前轮抬升行走。
(2)抬升中轮行走
结合图5、图6，给出根据本申请的星球车抬升中轮行走控制的一个实施示例流程200，包括以下步骤：
步骤201，调整星球车车体高度，使得车体离地高度较低，以保证中轮抬升过程星球车不会由于高度过高产生危险。
在本实施示例中，根据星球车构型关系，假设抬升中轮前将星球车车体离地高度调整为Hmin，则可根据公式(0-1)求取夹角调整机构对应角度αmin，控制夹角调整机构运动，目标角度αmin。
步骤202，控制离合器啮合运动，使得主副摇臂锁死。
离合器初始为啮开状态，主副摇臂间可自由转动，抬轮操作前，控制离合器进行啮合运动，离合器中配置有到位开关，当啮合开关触发后离合器自动停止运动，主副摇臂间锁死，不能相对转动。
步骤203，控制夹角调整机构运动，使得车体高度增加，中轮抬升。
控制夹角调整机构运动，使车体距地高度增加，随着车体高度增加，中轮逐渐抬起，直至车轮抬升到目标高度，夹角调整机构停止运动。夹角调整机构运动目标角度α3，可根据抬轮前车体高度Hmin以及目标抬轮高度hztai计算求取。
参考图6定义，星球车中轮抬升高度与夹角调整机构角度间关系可通过下面方程组确定。
W21H21＝W1W21·sin∠W21W1H21 (2-1)
Figure BDA0002408084610000111
Figure BDA0002408084610000112
∠W1O1W21＝α3-∠O2O1W21 (2-4)
Figure BDA0002408084610000121
∠W21W1H21＝∠O1W1W3-∠O1W1W21 (2-6)
Figure BDA0002408084610000122
Figure BDA0002408084610000123
Figure BDA0002408084610000124
∠W1O1W3＝α3-∠W3O1O2 (2-10)
Figure BDA0002408084610000125
Figure BDA0002408084610000126
将式(2-2)至(2-12)代入式(2-1)，得到中轮抬升高度W21H21。同时，在已知W21H21和γ3时，可以反求α3
其中，W21H21为中轮抬升高度，W1W21为前轮中心与中轮中心间距离，∠W21W1H21为前中轮中心连线与水平地面间夹角，O1W1为主摇臂前段长度，O1W21为夹角调整机构中心与中轮中心间距离，∠W1O1W21为主摇臂前段和夹角调整机构中心与中轮中心间连线间夹角，O1O2为主摇臂后段长度，O2W21为主副摇臂铰接点与中轮中心间距离，γ3为主摇臂后段与副摇臂前段间夹角，α3为中轮抬升后主摇臂前段与后段间夹角，∠O2O1W21为主摇臂后段和夹角调整机构中心与中轮中心间连线间夹角，O2W21为副摇臂前段长度，∠W21W1H21为前中轮中心连线与水平地面间夹角，∠O1W1W3为主摇臂前段与水平地面间夹角，∠O1W1W21为主摇臂前段和前中轮中心连线间夹角，∠W1O1W3为夹角调整机构中心和前轮中心连线与夹角调整机构中心和后轮中心连线间夹角，O1W为夹角调整机构中心和后轮中心间距离，W1W3为前后轮中心间距离，O1W3为夹角调整机构中心和后轮中心间距离，O2W3为副摇臂后段长度，
Figure BDA0002408084610000127
为副摇臂前段与后段间夹角，∠W3O1O2为主摇臂后段和夹角调整机构中心与后轮中心连线间夹角。
步骤204，控制非抬升车轮驱动机构以一定速度运动，实现前轮抬升行走。
(3)抬升后轮行走
结合图7、图8，给出根据本申请的星球车抬升后轮行走控制的一个实施示例流程300，包括以下步骤：
步骤301，将星球车系统质心调整至两中轮与地面接触点连线的前方。
在本实施示例中，根据星球车构型关系，车体离地高度减小，系统质心向前方运动，假设抬升后轮前将星球车车体离地高度调整为Hmid，则可根据公式(0-1)求取夹角调整机构对应角度αmid，控制夹角调整机构运动，目标角度αmid。
步骤302，控制离合器啮合运动，使得主副摇臂锁死。
离合器初始为啮开状态，主副摇臂间可自由转动，抬轮操作前，控制离合器进行啮合运动，离合器中配置有到位开关，当啮合开关触发后离合器自动停止运动，主副摇臂间锁死，不能相对转动。
步骤303，控制夹角调整机构运动，使得车体高度降低，后轮抬升。
控制夹角调整机构运动，使车体距地高度降低，随着车体高度降低，后轮逐渐抬起，直至车轮抬升到目标高度，夹角调整机构停止运动。夹角调整机构运动目标角度α2，可根据抬轮前车体高度Hmid以及目标抬轮高度hhtai计算求取。
参考图8定义，星球车后轮抬升高度与夹角调整机构角度间关系可通过下面方程组确定。
W31H31＝W2W31·sin∠W31W2H31 (3-1)
Figure BDA0002408084610000131
∠W31W2H31＝π-∠W1W2O1-∠O1W2O2-∠O2W2W31 (3-3)
Figure BDA0002408084610000132
Figure BDA0002408084610000141
Figure BDA0002408084610000142
Figure BDA0002408084610000143
Figure BDA0002408084610000144
∠W1O1W2＝α2-∠W2O1O2 (3-9)
Figure BDA0002408084610000145
将式(3-2)至(3-10)代入式(3-1)，得到后轮抬升高度W31H31。同时，在已知W31H31和γ2时，可以反求α2。
其中，W31H31为后轮抬升高度，W2W31为中后轮中心间距离，∠W31W2H31为中后轮中心间连线与水平地面间夹角，O2W2为副摇臂前段长度，
Figure BDA0002408084610000146
为副摇臂前段和后段间夹角，∠W1W2O1为夹角调整机构中心和中轮轮心连线与水平地面间夹角，∠O1W2O2为夹角调整机构中心和中轮轮心连线与副摇臂前段间夹角，∠O2W2W31为中后轮轮心连线与副摇臂前段间夹角，O1W2为夹角调整机构中心和中轮轮心间距离，O1O2为主摇臂后段长度，γ2为主摇臂后段与副摇臂前段间夹角，W1W2为前中轮轮间距离，O1W1为主摇臂前段长度，∠W1O1W2为夹角调整机构中心和中轮轮心间连线与主摇臂前段间夹角，α2为主摇臂前段和主摇臂后段间夹角，∠W2O1O2为夹角调整机构中心和中轮轮心间连线与主摇臂后段间夹角。
步骤304，控制非抬升车轮驱动机构以一定速度运动，实现后轮抬升行走。
本发明实现了主动悬架式星球车抬轮行走控制，解决星球车车轮沉陷无法脱困以及车轮故障后影响正常运动的问题。通过夹角调整机构和离合器机构配合可实现主动悬架式星球车抬轮行走控制功能；通过抬轮控制使故障车轮抬离地面，有效增强星球车故障容错能力，提高星球车使用寿命；通过抬轮控制实现火星车蠕动行走或压实路面，提升火星车松软地形下沉陷脱困与通过性能。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。

Claims (10)

1.一种主动悬架式星球车抬轮行走控制方法，其特征在于：主动悬架式星球车包括六套车轮驱动机构、六套车轮转向机构、两套夹角调整机构、两套离合器机构以及组成悬架的主副摇臂，其中车轮驱动机构和转向机构实现主动悬架式星球车的行走与转向，通过夹角调整机构和离合器机构配合实现抬轮行走功能；
抬轮行走控制方法包括如下步骤：
(1)对主动悬架式星球车进行抬升前轮行走控制；
(2)对主动悬架式星球车进行抬升中轮行走控制；
(3)对主动悬架式星球车进行抬升后轮行走控制。
2.根据权利要求1所述的一种主动悬架式星球车抬轮行走控制方法，其特征在于：主动悬架式星球车通过夹角调整机构进行车体离地高度调整，根据夹角调整机构中角度测量器件位置旋变所测量角度值，确定星球车车体高度，夹角调整机构转角α与车体离地高度H之间关系为
Figure FDA0002408084600000011
其中，α为主摇臂前段和主摇臂后段间夹角，H为车厢底面距地高度，h1为夹角调整机构中心轴线距车厢底面高度，R为车轮半径，h2为主副摇臂铰接点与车轮轴线竖直距离，L1为主摇臂前段长度，L2为主摇臂后段长度。
3.根据权利要求2所述的一种主动悬架式星球车抬轮行走控制方法，其特征在于：所述对主动悬架式星球车进行抬升前轮行走控制，具体为：
步骤101，将星球车系统质心调整至两中轮与地面接触点连线的后方；
根据星球车构型关系，车体离地高度增加，系统质心向后方运动，星球车车体离地最大高度为Hmax，则可求取夹角调整机构对应角度αmax，控制夹角调整机构运动，目标角度αmax；
步骤102，控制离合器啮合运动，使得主副摇臂锁死；
离合器初始为啮开状态，主副摇臂间可自由转动，抬轮操作前，控制离合器进行啮合运动，离合器中配置有到位开关，当到位开关触发后离合器自动停止运动，主副摇臂间锁死，不能相对转动；
步骤103，控制夹角调整机构运动，使得车体高度降低，前轮抬升；
控制夹角调整机构运动，使车体距地高度降低，随着车体高度降低，前轮逐渐抬起，直至前车轮抬升到目标高度，夹角调整机构停止运动；
步骤104，控制非抬升车轮驱动机构工作，实现前轮抬升行走。
4.根据权利要求3所述的一种主动悬架式星球车抬轮行走控制方法，其特征在于：步骤103中，夹角调整机构运动目标角度α1，根据抬轮前车体高度Hmax以及目标抬轮高度hqtai计算求取；
星球车前轮抬升高度与夹角调整机构角度间关系通过下面方程组确定：
hqtai＝W11H11＝AH11-O1C (1-1)
AH11＝O1W3·sin∠O1W3D (1-2)
Figure FDA0002408084600000021
Figure FDA0002408084600000022
Figure FDA0002408084600000023
O1C＝O1W11·sin∠O1W11C (1-6)
∠O1W11C＝π-α1-∠O2O1B (1-7)
Figure FDA0002408084600000024
将式(1-3)至(1-5)代入式(1-2)中得到AH11，将式(1-7)、(1-8)代入式(1-6)中得到O1C，将式(1-2)和式(1-6)结果代入式(1-1)，获得前轮抬升高度hqtai，同时，在已知W11H11和γ1时，可以反求α1；
其中，W11H11为前轮抬升高度，AH11为夹角调整机构轴线与前轮抬升前车轮轴线间竖直距离，O1C为夹角调整机构轴线与前轮抬升后车轮轴线间竖直距离，O1W3为夹角调整机构中心与后轮中心间距离，∠O1W3D为夹角调整机构中心和后轮中心连线与水平地面间夹角，O1O2为主摇臂后段长度，O2W3为副摇臂长度，γ1为主摇臂后段与副摇臂前段间夹角，
Figure FDA0002408084600000031
为副摇臂前段与后段间夹角，∠O1W3O2为夹角调整机构中心和后轮中心连线与副摇臂后段间夹角，O1W11为主摇臂前段长度，∠O1W11C为主摇臂前段与水平地面间夹角，α1为前轮抬升后夹角调整机构前段和后段间夹角，∠O2O1B为主摇臂后段与水平地面间夹角。
5.根据权利要求2所述的一种主动悬架式星球车抬轮行走控制方法，其特征在于：所述对主动悬架式星球车进行抬升中轮行走控制，具体为：
步骤201，调整星球车车体高度，使得车体离地高度低于预设阈值，以保证中轮抬升过程星球车不会由于高度过高产生危险；
根据星球车构型关系，抬升中轮前将星球车车体离地高度调整为Hmin，则求取夹角调整机构对应角度αmin，控制夹角调整机构运动，目标角度αmin；
步骤202，控制离合器啮合运动，使得主副摇臂锁死；
离合器初始为啮开状态，主副摇臂间可自由转动，抬轮操作前，控制离合器进行啮合运动，离合器中配置有到位开关，当到位开关触发后离合器自动停止运动，主副摇臂间锁死，不能相对转动；
步骤203，控制夹角调整机构运动，使得车体高度增加，中轮抬升；
控制夹角调整机构运动，使车体距地高度增加，随着车体高度增加，中轮逐渐抬起，直至车轮抬升到目标高度，夹角调整机构停止运动；夹角调整机构运动目标角度α3，可根据抬轮前车体高度Hmin以及目标抬轮高度hztai计算求取；
步骤204，控制非抬升车轮驱动机构以一定速度运动，实现前轮抬升行走。
6.根据权利要求5所述的一种主动悬架式星球车抬轮行走控制方法，其特征在于：步骤203中，夹角调整机构运动目标角度α3，根据抬轮前车体高度Hmin以及目标抬轮高度hztai计算求取；
星球车中轮抬升高度与夹角调整机构角度间关系通过下面方程组确定：
hztai＝W21H21＝W1W21·sin∠W21W1H21 (2-1)
Figure FDA0002408084600000041
Figure FDA0002408084600000042
∠W1O1W21＝α3-∠O2O1W21 (2-4)
Figure FDA0002408084600000043
∠W21W1H21＝∠O1W1W3-∠O1W1W21 (2-6)
Figure FDA0002408084600000044
Figure FDA0002408084600000045
Figure FDA0002408084600000046
∠W1O1W3＝α3-∠W3O1O2 (2-10)
Figure FDA0002408084600000047
Figure FDA0002408084600000048
将式(2-2)至(2-12)代入式(2-1)，得到中轮抬升高度W21H21；同时，在已知W21H21和γ3时，可以反求α3；
其中，W21H21为中轮抬升高度，W1W21为前轮中心与中轮中心间距离，∠W21W1H21为前中轮中心连线与水平地面间夹角，O1W1为主摇臂前段长度，O1W21为夹角调整机构中心与中轮中心间距离，∠W1O1W21为主摇臂前段和夹角调整机构中心与中轮中心间连线间夹角，O1O2为主摇臂后段长度，O2W21为主副摇臂铰接点与中轮中心间距离，γ3为主摇臂后段与副摇臂前段间夹角，α3为中轮抬升后主摇臂前段与后段间夹角，∠O2O1W21为主摇臂后段和夹角调整机构中心与中轮中心间连线间夹角，O2W21为副摇臂前段长度，∠W21W1H21为前中轮中心连线与水平地面间夹角，∠O1W1W3为主摇臂前段与水平地面间夹角，∠O1W1W21为主摇臂前段和前中轮中心连线间夹角，∠W1O1W3为夹角调整机构中心和前轮中心连线与夹角调整机构中心和后轮中心连线间夹角，O1W为夹角调整机构中心和后轮中心间距离，W1W3为前后轮中心间距离，O1W3为夹角调整机构中心和后轮中心间距离，O2W3为副摇臂后段长度，
Figure FDA0002408084600000051
为副摇臂前段与后段间夹角，∠W3O1O2为主摇臂后段和夹角调整机构中心与后轮中心连线间夹角。
7.根据权利要求2所述的一种主动悬架式星球车抬轮行走控制方法，其特征在于：所述对主动悬架式星球车进行抬升后轮行走控制，具体为：
步骤301，将星球车系统质心调整至两中轮与地面接触点连线的前方；
根据星球车构型关系，车体离地高度减小，系统质心向前方运动，抬升后轮前将星球车车体离地高度调整为Hmid，则求取夹角调整机构对应角度αmid，控制夹角调整机构运动，目标角度αmid；
步骤302，控制离合器啮合运动，使得主副摇臂锁死；
离合器初始为啮开状态，主副摇臂间可自由转动，抬轮操作前，控制离合器进行啮合运动，离合器中配置有到位开关，当啮合开关触发后离合器自动停止运动，主副摇臂间锁死，不能相对转动；
步骤303，控制夹角调整机构运动，使得车体高度降低，后轮抬升；
控制夹角调整机构运动，使车体距地高度降低，随着车体高度降低，后轮逐渐抬起，直至后车轮抬升到目标高度，夹角调整机构停止运动；夹角调整机构运动目标角度α2，可根据抬轮前车体高度Hmid以及目标抬轮高度hhtai计算求取；
步骤304，控制非抬升车轮驱动机构以一定速度运动，实现后轮抬升行走。
8.根据权利要求7所述的一种主动悬架式星球车抬轮行走控制方法，其特征在于：步骤303中，夹角调整机构运动目标角度α2，根据抬轮前车体高度Hmid以及目标抬轮高度hhtai计算求取；
星球车后轮抬升高度与夹角调整机构角度间关系通过下面方程组确定：
hhtai＝W31H31＝W2W31·sin∠W31W2H31 (3-1)
Figure FDA0002408084600000061
∠W31W2H31＝π-∠W1W2O1-∠O1W2O2-∠O2W2W31 (3-3)
Figure FDA0002408084600000062
Figure FDA0002408084600000063
Figure FDA0002408084600000064
Figure FDA0002408084600000065
Figure FDA0002408084600000066
∠W1O1W2＝α2-∠W2O1O2 (3-9)
Figure FDA0002408084600000067
将式(3-2)至(3-10)代入式(3-1)，得到后轮抬升高度W31H31。同时，在已知W31H31和γ2时，可以反求α2；
其中，W31H31为后轮抬升高度，W2W31为中后轮中心间距离，∠W31W2H31为中后轮中心间连线与水平地面间夹角，O2W2为副摇臂前段长度，
Figure FDA0002408084600000068
为副摇臂前段和后段间夹角，∠W1W2O1为夹角调整机构中心和中轮轮心连线与水平地面间夹角，
∠O1W2O2为夹角调整机构中心和中轮轮心连线与副摇臂前段间夹角，∠O2W2W31为中后轮轮心连线与副摇臂前段间夹角，O1W2为夹角调整机构中心和中轮轮心间距离，O1O2为主摇臂后段长度，γ2为主摇臂后段与副摇臂前段间夹角，W1W2为前中轮轮间距离，O1W1为主摇臂前段长度，∠W1O1W2为夹角调整机构中心和中轮轮心间连线与主摇臂前段间夹角，α2为主摇臂前段和主摇臂后段间夹角，∠W2O1O2为夹角调整机构中心和中轮轮心间连线与主摇臂后段间夹角。
9.一种根据权利要求1所述的主动悬架式星球车抬轮行走控制方法实现的星球车抬轮行走控制系统，其特征在于包括：
前轮控制模块：对主动悬架式星球车进行抬升前轮行走控制；
中轮控制模块：对主动悬架式星球车进行抬升中轮行走控制；
后轮控制模块：对主动悬架式星球车进行抬升后轮行走控制。
10.根据权利要求9所述的星球车抬轮行走控制系统，其特征在于：主动悬架式星球车包括六套车轮驱动机构、六套车轮转向机构、两套夹角调整机构、两套离合器机构以及组成悬架的主副摇臂，其中车轮驱动机构和转向机构实现主动悬架式星球车的行走与转向，通过夹角调整机构和离合器机构配合实现抬轮行走功能；
主动悬架式星球车通过夹角调整机构进行车体离地高度调整，根据夹角调整机构中角度测量器件位置旋变所测量角度值，确定星球车车体高度，夹角调整机构转角α与车体离地高度H之间关系为
Figure FDA0002408084600000071
其中，α为主摇臂前段和主摇臂后段间夹角，H为车厢底面距地高度，h1为夹角调整机构中心轴线距车厢底面高度，R为车轮半径，h2为主副摇臂铰接点与车轮轴线竖直距离，L1为主摇臂前段长度，L2为主摇臂后段长度。
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