CN113479060B - 一种轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法 - Google Patents

一种轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113479060B
CN113479060B CN202110859291.XA CN202110859291A CN113479060B CN 113479060 B CN113479060 B CN 113479060B CN 202110859291 A CN202110859291 A CN 202110859291A CN 113479060 B CN113479060 B CN 113479060B
Authority
CN
China
Prior art keywords
information
vehicle
wing sail
wheel
wing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110859291.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113479060A (zh
Inventor
张连鑫
黄一涵
焦洋
陈昕宇
钱辉环
冀晓强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chinese University of Hong Kong Shenzhen
Shenzhen Institute of Artificial Intelligence and Robotics
Original Assignee
Chinese University of Hong Kong Shenzhen
Shenzhen Institute of Artificial Intelligence and Robotics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chinese University of Hong Kong Shenzhen, Shenzhen Institute of Artificial Intelligence and Robotics filed Critical Chinese University of Hong Kong Shenzhen
Priority to CN202110859291.XA priority Critical patent/CN113479060B/zh
Publication of CN113479060A publication Critical patent/CN113479060A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113479060B publication Critical patent/CN113479060B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K16/00—Arrangements in connection with power supply of propulsion units in vehicles from forces of nature, e.g. sun or wind
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K16/00—Arrangements in connection with power supply of propulsion units in vehicles from forces of nature, e.g. sun or wind
    • B60K2016/006—Arrangements in connection with power supply of propulsion units in vehicles from forces of nature, e.g. sun or wind wind power driven
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/80—Technologies aiming to reduce greenhouse gasses emissions common to all road transportation technologies
    • Y02T10/90—Energy harvesting concepts as power supply for auxiliaries' energy consumption, e.g. photovoltaic sun-roof

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

本发明公开了一种轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，包括步骤：获取轻型无人翼帆车风速风向信息、惯量信息以及位置信息；其中，惯量信息包括：朝向信息；根据惯量信息和位置信息，确定轻型无人翼帆车的速度信息；当轻型无人翼帆车逆风行驶时，根据朝向信息和风速风向信息，确定轻型无人翼帆车的攻角；根据攻角，控制翼帆转向装置调整翼帆的朝向；根据速度信息、位置信息以及朝向信息，控制车轮转向装置调整车轮组件的行驶方向。由于在逆风行驶时，先根据朝向信息和风速风向信息，得到攻角，并根据攻角调整翼帆的朝向；然后根据速度信息、位置信息以及朝向信息，调整车轮组件的行驶方向，从而实现在逆风条件下的行驶。

Description

一种轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法
技术领域
本发明涉及翼帆车技术领域，尤其涉及的是一种轻型无人翼帆车及其自动行驶的控制方法。
背景技术
近几十年以来，化石能源危机与环境污染日益严重。其中，空气污染已成为最严重的环境问题之一。而汽车尾气正是许多地区空气污染的主要来源。目前大多数车辆通过燃烧汽油或柴油获得动能，燃烧产物中一氧化碳、氮氧化物以及直径小于2.5微米(PM2.5)的微粒等污染成分占有很大比例。因此，开发一些利用新型能源的车辆替代传统车辆将是防治空气污染的有效手段。
目前，电能和风能是可用于车辆运输的清洁能源。电能具有存储方便和连续稳定等优点。然而，在火力发电仍占据较大比重的电力系统中，发电过程仍然会造成环境污染。相比之下，风能是一种完全可再生的、无污染且经济的清洁能源。风力是由于地球表面的加热水平不一致而引起的，可由太阳辐射不断地补充。在某些风力稳定的特定场合，例如沙漠公路、海边公路、跨海大桥上等，风力车具有重要的利用价值。
受到帆船的启发，目前软布帆已逐渐应用到了风力陆帆车上。但布帆易变形不稳定，且具有较大的行驶死区。当帆车的航向位于死区内时，帆车不会受到作用于帆上的前向推进力。这些缺点导致软布帆不利于陆帆车的自动驾驶应用。相比于软帆，翼帆(硬帆)的姿态和形状可控，且具有结构坚固、死区小等优点，更有利于自动行驶。现有技术中翼帆车的设计和其自主控制仍局限于顺风行驶，无法实现在逆风情况下对翼帆车的行驶进行控制。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种轻型无人翼帆车及其自动行驶的控制方法，旨在解决现有技术中无法实现在逆风情况下对翼帆车的行驶进行控制的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，其中，所述轻型无人翼帆车包括：
车架；
车轮组件，设置于所述车架；
桅杆，与所述车架转动连接；
翼帆，设置于所述桅杆；
车轮转向装置，设置于所述车架，所述车轮转向装置与所述车轮组件连接并用于转动所述车轮组件以改变所述车轮组件的行驶方向；
翼帆转向装置，设置于所述车架，所述翼帆转向装置与所述桅杆连接并用于转动所述桅杆以改变所述翼帆的朝向；
风速传感器、惯性测量单元以及定位模块，设置于所述车架；
其中，所述风速传感器用于检测所述轻型无人翼帆车的风速风向信息，所述惯性测量单元用于检测所述轻型无人翼帆车的惯量信息，所述定位模块用于检测所述轻型无人翼帆车的位置信息；
所述控制方法包括步骤：
获取所述轻型无人翼帆车风速风向信息、惯量信息以及位置信息；其中，所述惯量信息包括：朝向信息；
根据所述惯量信息和所述位置信息，确定所述轻型无人翼帆车的速度信息；
当所述轻型无人翼帆车逆风行驶时，根据所述朝向信息和所述风速风向信息，确定所述轻型无人翼帆车的攻角；
根据所述攻角，控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的朝向；
根据所述速度信息、所述位置信息以及所述朝向信息，控制所述车轮转向装置调整所述车轮组件的行驶方向。
所述的轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，其中，所述攻角为：
α＝f(CL，CD)
(CL，CD)＝argmax[F cos(180°-β-γ+θ)]
Figure BDA0003185158250000031
Figure BDA0003185158250000032
其中，f(·)表示攻角与升力系数、阻力系数之间的函数关系，α表示攻角，argmax(·)表示取得最大值所对应的变量，cos(·)表示余弦函数，β表示翼帆车所受风的合力与阻力之间的夹角，F表示翼帆车所受风的合力，ρ表示空气的密度，Vr表示风速信息，S表示翼帆的横截面积，CD表示升力系数，CL表示阻力系数，γ表示航向角。
所述的轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，其中，所述惯量信息还包括：加速度信息；
所述根据所述惯量信息和所述位置信息，确定所述轻型无人翼帆车的速度信息，包括：
根据所述加速度信息和所述位置信息，确定所述轻型无人翼帆车的速度信息。
所述的轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，其中，所述行驶方向包括转向行驶；
所述根据所述速度信息、所述位置信息以及所述朝向信息，控制所述车轮转向装置调整所述车轮组件的行驶方向，包括：
当所述速度信息大于最小转向速度时，根据所述位置信息和所述朝向信息，调整所述车轮组件实现转向行驶。
所述的轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，其中，所述行驶方向还包括直线行驶；
所述根据所述速度信息、所述位置信息以及所述朝向信息，控制所述车轮转向装置调整所述车轮组件的行驶方向，还包括：
当所述速度信息小于或等于最小转向速度时，根据所述位置信息和所述朝向信息，调整所述车轮组件实现直线行驶。
所述的轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，其中，所述最小转向速度为：
Figure BDA0003185158250000041
其中，Vmin表示最小转向速度，m表示翼帆车的质量，s0为开始转向时翼帆车的位置信息，s1为结束转向时翼帆车的位置信息，Fh表示翼帆所受风的合力在翼帆车朝向上的分力，R表示翼帆车的转向半径，s表示翼帆车的路程。
所述的轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，其中，所述获取所述轻型无人翼帆车的朝向信息、风速风向信息、惯量信息以及位置信息之后，所述轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，还包括：
当所述轻型无人翼帆车顺风行驶时，根据所述风速风向信息、所述位置信息以及所述朝向信息，控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的朝向；
根据所述位置信息以及所述朝向信息，控制所述车轮转向装置调整所述车轮组件的行驶方向。
所述的轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，其中，所述车架上设置有前轮轴以及两个后轮轴；所述两个后轮轴关于所述前轮轴所在的直线对称；
所述车轮组件包括：
前轮，与所述前轮轴转动连接；
两个后轮，分别与所述两个后轮轴转动连接；
所述前轮上设置有转向臂；所述车轮转向装置包括：
第一驱动件，设置于所述车架；
连接臂，与所述第一驱动件的输出轴连接；
第一车弦，所述第一车弦的两端分别连接所述转向臂和所述连接臂；
第二车弦，所述第二车弦的两端分别连接所述转向臂和所述连接臂；
其中，所述第一车弦和所述第二车弦分别位于所述前轮轴的两侧；
所述翼帆转向装置包括：
第二驱动件，设置于所述车架；
主动轮，与所述第二驱动件的输出轴连接；
从动轮，设置于所述桅杆；
其中，所述主动轮与所述从动轮啮合。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法的步骤。
有益效果：由于在逆风行驶时，先根据朝向信息和风速风向信息，得到攻角，并根据攻角调整翼帆的朝向；然后根据速度信息、位置信息以及朝向信息，调整车轮组件的行驶方向，从而实现在逆风条件下的行驶。
附图说明
图1是本发明中轻型无人翼帆车的立体图。
图2是本发明中轻型无人翼帆车的俯视图。
图3是本发明中主动轮和从动轮的结构示意图。
图4是本发明中轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法的流程图。
图5是本发明中翼帆车受力分析第一示意图。
图6是本发明中翼帆车受力分析第二示意图。
附图标记说明：
1、车架；11、前轮轴；12、后轮轴；21、前轮；211、转向臂；22、后轮；3、桅杆；31、翼帆；41、风速传感器；42、惯性测量单元；51、第一驱动件；52、连接臂；53、第一车弦；54、第二车弦；61、第二驱动件；62、主动轮；63、从动轮。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请同时参阅图1-图3，本发明提供了一种轻型无人翼帆车的一些实施例。
本发明可用于在某些风力充足稳定的地区的货物无人运输，例如在沙漠公路、海边公路、跨海大桥等地从事往返运输，具有耗能少成本低廉的优势。本发明还可用于在某些平坦地形上，例如公路、广场等，长时间巡逻勘探。
如图1-图3所示，本发明的一种轻型无人翼帆车，包括：
车架1；
车轮组件，设置于所述车架1；
桅杆3，与所述车架1转动连接；
翼帆31，设置于所述桅杆3；
车轮转向装置，设置于所述车架1，所述车轮转向装置与所述车轮组件连接并用于转动所述车轮组件以改变所述车轮组件的行驶方向；
翼帆31转向装置，设置于所述车架1，所述翼帆31转向装置与所述桅杆3连接并用于转动所述桅杆3以改变所述翼帆31的朝向；
风速传感器41、惯性测量单元42以及定位模块，设置于所述车架1；
其中，所述风速传感器41用于检测所述轻型无人翼帆车的风速风向信息，所述惯性测量单元42用于检测所述轻型无人翼帆车的惯量信息，所述定位模块用于检测所述轻型无人翼帆车的位置信息。
具体地，翼帆31具体为刚性翼帆，可以采用泡沫材料制成，例如，泡沫材料为聚苯乙烯。采用刚性翼帆时，翼帆31不易变形，便于将风能转化为驱动力，以驱动轻型无人翼帆车(以下简称翼帆车)。翼帆31形状采用NACA0015型，其他可替代型号为NACA的翼帆31。翼帆31表面还可以设置PVC层，增强翼帆31表面的光滑度，从而使空气更平稳的流过，减小阻力，并增加驱动力。桅杆3转动时，带动翼帆31转动，从而可以调整翼帆31的朝向，桅杆3的转动范围可以是360°，也就是说，翼帆31的转动范围为360°。车架1、车轮组件等部件可以采用3D打印机制造，具体可以采用尼龙进行打印，当然其它传统3D打印材料均可以应用于本发明翼帆车的制造。各部件之间可以通过螺丝或胶水进行固定，如，通过木棒为辅助并采用胶水进行固定连接各部件。桅杆3可以采用轻质木杆。桅杆3通过轴承与车架1转动连接。桅杆3和翼帆31固定连接，在桅杆3转动时，翼帆31也会随之转动。当然本发明的翼帆31材料为泡沫材料，车身为尼龙材料与木材，均可替换为其他合适的轻质材料。
风速传感器41是指检测翼帆车所在区域的风速风向信息的传感器，风速风向信息包括风速信息和风向信息。风速传感器41可以是超声波风速风向传感器，可利用超声波在空气中的传播速度受空气流动的影响量来测量和计算风速，达到较高的测量精度。由于风速风向传感器直接安装于翼帆车上，所测得的风速风向即为翼帆车相对风速风向。因此，使用风速风向传感器可以直接获得相对风的风速vr用于计算翼帆31所受升力和阻力，阻力D与相对风的风速vr的方向相同，升力L的反向与相对风的风速vr的方向垂直，阻力D与升力L形成的合力，即翼帆车所受风的合力F。相比于分别获得风场环境相对于地面的风速风向信息，再由翼帆车实时位置和加速度信息计算车速从而得到相对风的风速及风向，风速传感器41的使用更为简单直接，并且为翼帆车提供了更强的环境适应性，能更容易地应用于不同的风场环境。
惯性测量单元42是指检测翼帆车惯量信息的装置，惯量信息包括朝向信息和加速度信息。惯性测量单元42包含了三轴加速度计和三轴陀螺仪，如图1所示，惯性测量单元42安装于所述翼帆车的车身上电子设备中，由惯性测量单元42的z轴陀螺仪输出的角速度数据，处理器可计算得出翼帆车车身相对于导航参考系的朝向姿态。尽管翼帆31与车身其他部分朝向姿态在行驶过程中有所不同，为了保证翼帆31的受力情况不受到影响，本发明没有采用在翼帆31上额外安装一个惯性测量单元42，因此在控制算法中也避免了将翼帆31的朝向作为输入数据，而是通过控制舵机的转动以控制翼帆31的朝向姿态。如图3所示，主动轮62的半径与从动轮63的半径相等，主动轮62的齿数与从动轮63的齿数相等，因此，舵机相对于翼帆车对称轴的转动角度即为翼帆31与车身的角度差值。假设翼帆车相对于参考系的航向角为γ，舵机转动角度为η，若航向角与舵机转动角度规定为相同的正方向，则为了使翼帆31的朝向角度为α，η需满足关系：η＝α-γ。
定位模块是指检测翼帆车的位置信息的装置。定位模块可以采用GPS定位模块。GPS定位模块通过GPS定位，并使用北斗定位系统作为辅助定位手段，达到5m以下定位精度。
进一步地，定位模块、风速传感器41以及惯性测量单元42分别将获得的位置信息、风速风向信息、朝向及加速度信息通过串口连接发送给处理器，以此完成翼帆车控制所需的信息采集。定位模块、风速传感器41以及惯性测量单元42形成数据采集模块，数据采集模块采集的数据。
值得说明的是，通过风速传感器41得到风速风向信息，通过惯性测量单元42得到惯量信息，通过定位模块得到位置信息，那么根据风速风向信息、惯量信息以及位置信息，实现逆风行驶过程中调整行驶方向。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，轻型无人翼帆车还包括：处理器，与处理器连接的控制器，处理器与风速传感器41、惯性测量单元42以及定位模块连接，控制器与车轮转向装置以及翼帆31转向装置连接。处理器，用于接收数据采集模块采集的数据并处理得到翼帆车的控制指令。控制器，用于接收处理器发送的控制指令并实现对所述翼帆车车轮和翼帆31角度的分别控制。
具体地，处理器采用的单片微型计算机为Arduino Nano控制板，用于接收定位模块、风速传感器41和惯性测量单元42采集的与翼帆车行驶相关的物理量。处理器通过图4所示的算法流程处理数据，同时处理器与翼帆31转向装置、车轮转向装置相连，将数据处理得出的控制指令转为上述翼帆31转向装置与车轮转向装置可识别的脉冲宽度调制(PulseWidth Modulation,PWM)信号，由此实现对于翼帆31和车轮的控制。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1所示，所述车架1上设置有前轮轴11以及两个后轮轴12；所述两个后轮轴12关于所述前轮轴11所在的直线对称；
所述车轮组件包括：
前轮21，与所述前轮轴11转动连接；
两个后轮22，分别与所述两个后轮轴12转动连接。
具体地，前轮21仅有一个，后轮22有两个，则前轮21和两个后轮22形成三角形，那么翼帆车具有一定的稳定性，不容易出现侧翻的问题。此外，前轮21仅有一个，方便进行转弯，从而便于在逆风和顺风中行驶。
具体地，在车架1的基础上设置前轮轴11以及后轮轴12，增加前轮21、后轮22与车架1的距离，进一步防止陆地风力翼帆车在较强风速下发生侧翻。前轮21、两个后轮22形成等腰三角形，两个后轮22的间距为等腰三角形的底的长度，前轮21到后轮轴12所在直线的距离为等腰三角形的高的长度。由车全重，估计最大风速，翼帆31面积，可得出车架1的比例(前轮21距离/轮轴长，即等腰三角形的高的长度/等腰三角形的底的长度)应为1.3至1.5。满足所述比例的翼帆车可以在较强风速下依然平稳地运行。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图3所示，所述前轮21上设置有转向臂211；所述车轮转向装置包括：
第一驱动件51，设置于所述车架1；
连接臂52，与所述第一驱动件51的输出轴连接；
第一车弦53，所述第一车弦53的两端分别连接所述转向臂211和所述连接臂52；
第二车弦54，所述第二车弦54的两端分别连接所述转向臂211和所述连接臂52；
其中，所述第一车弦53和所述第二车弦54分别位于所述前轮轴11的两侧。
具体地，第一驱动件51可以采用舵机，转向臂211横跨前轮轴11的左右两侧，连接臂52横跨也横跨前轮轴11的左右两侧。第一车弦53和第二车弦54分别位于前轮轴11的左右两侧，则第一车弦53连接转向臂211的左端和连接臂52的左端，第二车弦54连接转向臂211的右端和连接臂52的右端。
当第一驱动件51的输出轴转动时，连接臂52随之转动，则连接臂52会拉动第一车弦53或第二车弦54，从而使得转向臂211转动，那么前轮21会随之转动。车弦的材料可以是尼龙线。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3所示，所述翼帆31转向装置包括：
第二驱动件61，设置于所述车架1；
主动轮62，与所述第二驱动件61的输出轴连接；
从动轮63，设置于所述桅杆3；
其中，所述主动轮62与所述从动轮63啮合。
具体地，第二驱动件61可以采用舵机，通过舵机的输出轴的转动带动主动轮62转动，从而使得从动轮63随之转动，那么桅杆3转动并带动翼帆31转动。由于采用主动轮62和从动轮63，如果风太大，只会使得主动轮62和从动轮63脱啮合，而不会损坏第二驱动件61。
翼帆31转向装置通过主动轮62与从动轮63与翼帆31底座连接与翼帆31连接；所述车轮转向装置通过第一车弦53、第二车弦54和前轮21连接，齿轮连接装置(及主动轮62和从动轮63)可以实现对于翼帆31朝向的精确控制。连接臂52的长度和转向臂211的长度相同，两者转动的角度也相同，在转动过程中两者保持平行。舵机连接了与前轮21的宽度基本一致的舵盘，当舵机转动带动前轮21转动时，二者形成类似于平行四边形的转动关系。因此，前轮21的转动角度与舵机的旋转角度基本一致，实现对于车轮朝向较为精确的控制。
翼帆31的控制舵机的动力传动可替换为连杆机构，同时前轮21转向机构的舵机可前置安装在前轮21处。
基于上述任意实施例所述的轻型无人翼帆车，本发明还提供了一种轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法的较佳实施例：
如图4所示，本发明实施例的轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，包括以下步骤：
步骤S100、获取所述轻型无人翼帆车风速风向信息、惯量信息以及位置信息；其中，所述惯量信息包括：朝向信息。
具体地，通过风速传感器得到风速风向信息，通过惯性测量单元得到惯量信息，通过定位模块得到位置信息。朝向信息是指翼帆车所朝方向的信息，例如，以前轮轴所指的方向作为翼帆车所朝的方向。
步骤S200、根据所述惯量信息和所述位置信息，确定所述轻型无人翼帆车的速度信息。
具体地，根据惯量信息和位置信息，确定翼帆车的速度信息，即翼帆车的当前速度vc。
所述惯量信息还包括：加速度信息。步骤S200具体包括：
步骤S210、根据所述加速度信息和所述位置信息，确定所述轻型无人翼帆车的速度信息。
具体地，由惯性测量单元采集的翼帆车的加速度信息，与定位器得到的翼帆车位置信息进行数据融合，可以得出翼帆车的实时速度信息。
步骤S300、当所述轻型无人翼帆车逆风行驶时，根据所述朝向信息和所述风速风向信息，确定所述轻型无人翼帆车的攻角。
具体地，如图5所示，F表示合力，D表示阻力，L表示升力，β表示合力F与阻力D之间的夹角，Vc表示翼帆车的车速，Vt为真风风速，Vr为相对风的风速，γ表示航向角，θ表示风向角，
Figure BDA0003185158250000121
表示真风风速Vt的方向角，α表示攻角。如图6所示，F表示合力，β表示合力F与相对风的风速(或者阻力)之间的夹角，γ表示航向角，θ表示风向角，α表示攻角，Fh表示合力F在航向上的分力，F1表示合力F在垂直于航向上的分力。当翼帆车逆风行驶时，根据朝向信息和风速风向信息，确定翼帆车的攻角。可以通过朝向信息和风向信息，确定翼帆车是否为逆风行驶，具体，采用航向角作为朝向信息，采用风向角作为风向信息，当航向角与风向角满足如下关系时，则判断翼帆车为逆风行驶：
|γ-θ|≤90°
其中，γ表示航向角，θ表示风向角。
当航向角与风向角满足如下关系时，则判断翼帆车为顺风行驶：
|γ-θ|>90°
其中，γ表示航向角，θ表示风向角。
所述攻角为：
α＝f(CL，CD)
(CL，CD)＝argmax[F cos(180°-β-α)]
Figure BDA0003185158250000131
Figure BDA0003185158250000132
其中，f(·)表示攻角与升力系数、阻力系数之间的函数关系，α表示攻角，argmax(·)表示取得最大值所对应的变量，cos(·)表示余弦函数，β表示翼帆车所受风的合力与阻力之间的夹角，F表示翼帆车所受风的合力，ρ表示空气的密度，Vr表示风速信息，S表示翼帆的横截面积，CD表示升力系数，CL表示阻力系数，γ表示航向角。
翼帆所受风的合力F在翼帆车朝向上的分力为：
Fh＝F cos(180°-β-γ+θ)
其中，Fh表示翼帆所受风的合力F在翼帆车朝向上的分力。
当该分力Fh为最大值时，得到升力系数CD和阻力系数CL的取值，并根据升力系数CD和阻力系数CL的取值以及攻角与升力系数、阻力系数之间的函数关系得到攻角。
步骤S400、根据所述攻角，控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的朝向。
具体地，得到攻角后，则根据攻角对翼帆的朝向进行调整，具体控制翼帆转向装置调整翼帆的朝向，使得翼帆车在朝向上的分力最大化。也就是说，翼帆车不会那么快停下来，而是继续逆风行驶。
具体地，得到攻角后，向翼帆转向装置输入的角度η满足：η＝α-γ。
步骤S500、根据所述速度信息、所述位置信息以及所述朝向信息，控制所述车轮转向装置调整所述车轮组件的行驶方向。
具体地，通过攻角调整翼帆的朝向后，根据速度信息、位置信息以及朝向信息，控制车轮转向装置调整车轮组件的行驶方向。
所述行驶方向包括转向行驶和/或直线行驶，步骤S500具体包括：
步骤S510、当所述速度信息大于最小转向速度时，根据所述位置信息和所述朝向信息，调整所述车轮组件实现转向行驶。
若速度信息大于最小转向速度，则说明翼帆车可以进行转向，则根据位置信息和朝向信息，调整车轮组件实现转向行驶。
步骤S520、当所述速度信息小于或等于最小转向速度时，根据所述位置信息和所述朝向信息，调整所述车轮组件实现直线行驶。
若速度信息小于或等于最小转向速度，则说明翼帆车不能进行转向，则根据位置信息和朝向信息，调整车轮组件实现直线行驶，直至满足退出条件，退出条件可以是达到行驶时间或者达到目标位置。
所述最小转向速度为：
Figure BDA0003185158250000141
其中，Vmin表示最小转向速度，m表示翼帆车的质量，s0为开始转向时翼帆车的位置信息，s1为结束转向时翼帆车的位置信息，Fh表示翼帆所受风的合力在翼帆车朝向上的分力，R表示翼帆车的转向半径，s表示翼帆车的路程。
具体地，对于某个航向角，能够逆风转向的最小车速，根据动能守恒定律，转弯过程中的初、末状态动能，与转向过程中帆车所受合力在翼帆车朝向上的分力做功得出公式：
Figure BDA0003185158250000142
为了是转向成功，结束转向时帆车航向角需大于其死区角度，且此时车速需大于等于零，根据公式：
Figure BDA0003185158250000143
其中R为翼帆车转向半径，Fh表示翼帆所受风的合力在翼帆车朝向上的分力，s0为开始转向时翼帆车的位置信息，s1为结束转向时翼帆车的位置信息，s为翼帆车的路程。可求出需要的最小转弯初速度vmin。
步骤S600、当所述轻型无人翼帆车顺风行驶时，根据所述风速风向信息、所述位置信息以及所述朝向信息，控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的朝向。
步骤S700、根据所述位置信息以及所述朝向信息，控制所述车轮转向装置调整所述车轮组件的行驶方向。
当所述轻型无人翼帆车顺风行驶时，根据风速风向信息、位置信息和朝向信息，控制翼帆转向装置调整翼帆的朝向。
再根据位置信息和朝向信息控制车轮转向装置调整车轮组件的行驶方向，直至满足退出条件，退出条件可以是达到行驶时间或者达到目标位置。这里的行驶方向包括直线行驶和转向行驶，当然这里的转向行驶为顺风转向行驶。
由于在逆风行驶时，先根据朝向信息和风速风向信息，得到攻角，并根据攻角调整翼帆的朝向；然后根据速度信息、位置信息以及朝向信息，调整车轮组件的行驶方向，从而实现在逆风条件下的行驶。
本发明设计的翼帆车可以灵活独立地控制航向角和翼帆攻角从而及时应对翼帆车在不同运动情况的角度调整。轻巧的T字形三轮车架设计最大程度地减少了车身的风阻，保证了翼帆车在风速较低时依然拥有较大的加速度。在逆风行驶时，光滑的翼帆和轻盈的车身使得帆车获得较大的推力，从而具备实现逆风转向的性能条件。
本发明设计的帆车自动行驶控制算法可以实现帆车的自主行驶，包括在逆风条件下的前进和转向。该算法可根据帆车的当前车速和当前风速算出本航向角下的最小转向速度，从而有助于帆车判断逆风转向的时机。
基于上述任意实施例所述的轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，本发明还提供了一种计算机设备的较佳实施例：
本发明实施例的计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
获取所述轻型无人翼帆车风速风向信息、惯量信息以及位置信息；其中，所述惯量信息包括：朝向信息；
根据所述惯量信息和所述位置信息，确定所述轻型无人翼帆车的速度信息；
当所述轻型无人翼帆车逆风行驶时，根据所述朝向信息和所述风速风向信息，确定所述轻型无人翼帆车的攻角；
根据所述攻角，控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的朝向；
根据所述速度信息、所述位置信息以及所述朝向信息，控制所述车轮转向装置调整所述车轮组件的行驶方向。
基于上述任意实施例所述的轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，本发明还提供了一种计算机可读存储介质的较佳实施例：
本发明实施例的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取所述轻型无人翼帆车风速风向信息、惯量信息以及位置信息；其中，所述惯量信息包括：朝向信息；
根据所述惯量信息和所述位置信息，确定所述轻型无人翼帆车的速度信息；
当所述轻型无人翼帆车逆风行驶时，根据所述朝向信息和所述风速风向信息，确定所述轻型无人翼帆车的攻角；
根据所述攻角，控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的朝向；
根据所述速度信息、所述位置信息以及所述朝向信息，控制所述车轮转向装置调整所述车轮组件的行驶方向。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，其特征在于，所述轻型无人翼帆车包括：
车架；
车轮组件，设置于所述车架；
桅杆，与所述车架转动连接；
翼帆，设置于所述桅杆；
车轮转向装置，设置于所述车架，所述车轮转向装置与所述车轮组件连接并用于转动所述车轮组件以改变所述车轮组件的行驶方向；
翼帆转向装置，设置于所述车架，所述翼帆转向装置与所述桅杆连接并用于转动所述桅杆以改变所述翼帆的朝向；
风速传感器、惯性测量单元以及定位模块，设置于所述车架；
其中，所述风速传感器用于检测所述轻型无人翼帆车的风速风向信息，所述惯性测量单元用于检测所述轻型无人翼帆车的惯量信息，所述定位模块用于检测所述轻型无人翼帆车的位置信息；
所述控制方法包括步骤：
获取所述轻型无人翼帆车风速风向信息、惯量信息以及位置信息；其中，所述惯量信息包括：朝向信息；
根据所述惯量信息和所述位置信息，确定所述轻型无人翼帆车的速度信息；
当所述轻型无人翼帆车逆风行驶时，根据所述朝向信息和所述风速风向信息，确定所述轻型无人翼帆车的攻角；
根据所述攻角，控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的朝向；
根据所述速度信息、所述位置信息以及所述朝向信息，控制所述车轮转向装置调整所述车轮组件的行驶方向；
所述行驶方向包括转向行驶；
所述根据所述速度信息、所述位置信息以及所述朝向信息，控制所述车轮转向装置调整所述车轮组件的行驶方向，包括：
当所述速度信息大于最小转向速度时，根据所述位置信息和所述朝向信息，调整所述车轮组件实现转向行驶；
所述最小转向速度为：
Figure FDA0003671241010000021
其中，Vmin表示最小转向速度，m表示翼帆车的质量，s0为开始转向时翼帆车的位置信息，s1为结束转向时翼帆车的位置信息，Fh表示翼帆所受风的合力在翼帆车朝向上的分力，R表示翼帆车的转向半径，s表示翼帆车的路程。
2.根据权利要求1所述的轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，其特征在于，所述朝向信息采用航向角；所述攻角为：
α＝f(CL，CD)
(CL，CD)＝argmax[F cos(180°-β-γ+θ)]
Figure FDA0003671241010000022
Figure FDA0003671241010000023
其中，f(·)表示攻角与升力系数、阻力系数之间的函数关系，α表示攻角，argmax(·)表示取得最大值所对应的变量，cos(·)表示余弦函数，β表示翼帆车所受风的合力与阻力之间的夹角，F表示翼帆车所受风的合力，ρ表示空气的密度，Vr表示风速信息，S表示翼帆的横截面积，CD表示升力系数，CL表示阻力系数，γ表示航向角。
3.根据权利要求1所述的轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，其特征在于，所述惯量信息还包括：加速度信息；
所述根据所述惯量信息和所述位置信息，确定所述轻型无人翼帆车的速度信息，包括：
根据所述加速度信息和所述位置信息，确定所述轻型无人翼帆车的速度信息。
4.根据权利要求1所述的轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，其特征在于，所述行驶方向还包括直线行驶；
所述根据所述速度信息、所述位置信息以及所述朝向信息，控制所述车轮转向装置调整所述车轮组件的行驶方向，还包括：
当所述速度信息小于或等于最小转向速度时，根据所述位置信息和所述朝向信息，调整所述车轮组件实现直线行驶。
5.根据权利要求1所述的轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，其特征在于，所述获取所述轻型无人翼帆车的朝向信息、风速风向信息、惯量信息以及位置信息之后，所述轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，还包括：
当所述轻型无人翼帆车顺风行驶时，根据所述风速风向信息、所述位置信息以及所述朝向信息，控制所述翼帆转向装置调整所述翼帆的朝向；
根据所述位置信息以及所述朝向信息，控制所述车轮转向装置调整所述车轮组件的行驶方向。
6.根据权利要求1所述的轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法，其特征在于，所述车架上设置有前轮轴以及两个后轮轴；所述两个后轮轴关于所述前轮轴所在的直线对称；
所述车轮组件包括：
前轮，与所述前轮轴转动连接；
两个后轮，分别与所述两个后轮轴转动连接；
所述前轮上设置有转向臂；所述车轮转向装置包括：
第一驱动件，设置于所述车架；
连接臂，与所述第一驱动件的输出轴连接；
第一车弦，所述第一车弦的两端分别连接所述转向臂和所述连接臂；
第二车弦，所述第二车弦的两端分别连接所述转向臂和所述连接臂；
其中，所述第一车弦和所述第二车弦分别位于所述前轮轴的两侧；
所述翼帆转向装置包括：
第二驱动件，设置于所述车架；
主动轮，与所述第二驱动件的输出轴连接；
从动轮，设置于所述桅杆；
其中，所述主动轮与所述从动轮啮合。
7.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。
CN202110859291.XA 2021-07-28 2021-07-28 一种轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法 Active CN113479060B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110859291.XA CN113479060B (zh) 2021-07-28 2021-07-28 一种轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110859291.XA CN113479060B (zh) 2021-07-28 2021-07-28 一种轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113479060A CN113479060A (zh) 2021-10-08
CN113479060B true CN113479060B (zh) 2022-08-05

Family

ID=77944204

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110859291.XA Active CN113479060B (zh) 2021-07-28 2021-07-28 一种轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113479060B (zh)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB615318A (en) * 1944-06-07 1949-01-05 Glenn L Martin Co Improvements in or relating to low drag airfoils
CN104590040A (zh) * 2014-12-24 2015-05-06 上海大学 一种用于极地科考的陆地翼帆车
CN105644752A (zh) * 2015-12-27 2016-06-08 中山艾德克智能控制科技有限公司 一种新型风光互补供能无人帆船及其控制方法
CN111284671A (zh) * 2019-07-22 2020-06-16 杨力 一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船及其控制方法
CN110696917B (zh) * 2019-10-30 2020-12-29 深圳市人工智能与机器人研究院 翼帆车、翼帆车控制方法、装置及存储介质
CN112036099B (zh) * 2020-09-15 2022-09-27 大连海事大学 一种基于帆船风帆攻角确定最小回转半径的方法
CN112395688A (zh) * 2020-11-18 2021-02-23 哈尔滨工程大学 一种船舶风帆最佳攻角的计算方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113479060A (zh) 2021-10-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109358654B (zh) 一种水空两栖搜救支援无人飞行器系统
Silva et al. Rigid wing sailboats: A state of the art survey
CN108860454B (zh) 一种全天候长航程无人帆船设计方法
CN112124489A (zh) 一种基于折叠翼的无人地效翼船
CN108508760A (zh) 一种多轮独立驱动滑差转向车辆的联合仿真方法及系统
CN114019993B (zh) 一种便携式多地形无人机的控制方法
CN104590040A (zh) 一种用于极地科考的陆地翼帆车
CN114906239B (zh) 智能无轨列车、超长货物运输车、前进及倒车控制方法
CN113325858A (zh) 一种基于扑翼幅值的仿蝠鲼航行器航向控制方法
CN111026112A (zh) 一种轮式机器人沿斜坡中线自动行走的控制系统
CN113479060B (zh) 一种轻型无人翼帆车的自动行驶的控制方法
CN114771831A (zh) 一种水、空两栖无人飞行器及其控制方法
CN110696917B (zh) 翼帆车、翼帆车控制方法、装置及存储介质
CN109501984A (zh) 一种可折叠翼帆及水下无人平台
CN209433202U (zh) 无人艇转速差动减摇增稳系统
CN111422351A (zh) 高抗风尾椎式系留无人机及其飞行控制方法
Chen et al. Design and control of multiple wing-sail land yacht robot
CN111332415A (zh) 一种自主巡航节能水质监测船及监测方法
CN109964629B (zh) 一种基于英伟达开发板的智能水草清理机器人及控制方法
CN114572293B (zh) 一种风动力雪地漫游机器人
Dong et al. Wing sail land-yacht modeling and system verification
JPH07477B2 (ja) 波力フイン推進装置
CN209327875U (zh) 无人艇滚转-航向协调增稳控制系统
CN114030579B (zh) 一种无人船稳定控制方法及推进装置
Dhomé et al. Development and initial results of an autonomous sailing drone for oceanic research

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant