CN113665304B - 陆空双模式设备及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陆空双模式设备及其控制方法，涉及陆空设备技术领域；系统包括轮胎、旋翼及中央控制器；中央控制器与轮胎、旋翼均建立通信并同时控制两者运行；中央控制器能够控制轮胎和旋翼同步或非同步启动运行；方法包括6个步骤，通过相同于中央控制器的操作。本发明提高了地面行驶与空中飞行两种运行模式的转换效率，从而提升陆空双模式设备的行驶安全性与运行效能。

Description

陆空双模式设备及其控制方法
技术领域
本发明涉及陆空设备技术领域，具体涉及一种陆空双模式设备及其控制方法。
背景技术
陆空双模式设备是具备垂直起降飞行能力和地面行驶能力的新型工具，例如无人机、多旋翼飞行汽车等，其中，多旋翼飞行汽车及其类似设备将成为未来立体交通的主要载体。陆空双模式设备的地面行驶能力由轮胎行驶系统来实现、空中飞行能力由旋翼飞行系统来实现。以多旋翼飞行汽车为例，其能够根据用户对行程经济性、快速性的不同需求，以及道路的拥堵状况，在行驶模式与飞行模式之间切换，切换过程就需要控制器进行操作。
现有公开的陆空双模式设备的控制器，其行驶模式和飞行模式是由两个不同的控制器独立控制，为了防止两个控制器互相干扰，陆空双模式设备由行驶模式切换至飞行模式时，需要将陆空双模式设备停止移动，并停止行驶模式后，才能切换至飞行模式；由飞行模式切换至行驶模式时，需要将陆空双模式设备完全落地，并停止飞行模式运行后，才能切换至行驶模式。现有公开的控制方法也是同理，都是对飞行模式和行驶模式分别控制。这严重影响行驶安全性及运行效能。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种具有协同控制飞行模式和行驶模式的中央控制器，在不停止两个模式的状态下，就能进行切换的陆空双模式设备。
还提供一种控制该陆空双模式设备的控制方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种陆空双模式设备，包括轮胎、旋翼及中央控制器；中央控制器与轮胎、旋翼均建立通信并同时控制两者运行；中央控制器能够控制轮胎和旋翼同步或非同步启动运行。
优选的，所述轮胎包括前轮、后轮。
优选的，所述中央控制器包括依次建立通信的轮胎接触状态判断模块、轮胎载荷估计模块、驱动力分配模块、飞行姿态控制模块；轮胎接触状态判断模块用于判断陆空双模式设备的轮胎接触状态，轮胎载荷估计模块用于计算前轮载荷之和Fzgf、后轮载荷之和Fzgr，驱动力分配模块用于分配需求驱动力Fx，飞行姿态控制模块用于分配需求升力Fza及俯仰力矩。
优选的，陆空双模式设备还包括参数获取单元，用于测量陆空双模式设备的俯仰角度θ、垂向加速度az、俯仰角加速度aθ。
优选的，所述参数获取单元与轮胎接触状态判断模块、轮胎载荷估计模块均建立通信。
优选的，所述前轮电性连接有前轮驱动控制器，后轮电性连接有后轮驱动控制器、旋翼电性连接有旋翼驱动控制器，该三个驱动控制器均与中央控制器建立通信，中央控制器通过控制三个驱动控制器的方式控制前轮、后轮、旋翼运行。
优选的，所述旋翼与前轮、后轮两者数量之和相适配，每个旋翼靠近一个前轮或后轮设置。
所述陆空双模式设备的控制方法，包括以下步骤：
S01、参数获取单元测量陆空双模式设备的参数，并将对应参数发送至轮胎接触状态判断模块、轮胎载荷估计模块；
S02、轮胎接触状态判断模块根据接收到的参数判定陆空双模式设备的轮胎接触状态，并将判定结果发送至轮胎载荷估计模块；
S03、轮胎载荷估计模块根据轮胎不同的接触状态及接收到的参数，计算对应接触状态下前轮载荷之和Fzgf、后轮载荷之和Fzgr，并将计算结果发送至驱动力分配模块；
S04、驱动力分配模块将需求驱动力Fx分配至前轮、后轮、需求姿态俯仰角θ′；
S05、飞行姿态控制模块将需求升力Fza及俯仰力矩分配至旋翼。
优选的，所述步骤S01具体为：参数获取单元测量陆空双模式设备的俯仰角度θ、垂向加速度az、俯仰角加速度aθ，并将测量的陆空双模式设备的俯仰角度θ发送至轮胎接触状态判断模块、测量的陆空双模式设备的垂向加速度az和俯仰角加速度aθ发送至轮胎载荷估计模块。
优选的，所述步骤S04具体为：驱动力分配模块根据前轮载荷之和Fzgf、后轮载荷之和Fzgr判断需求驱动力Fx与地面最大附着力的关系，根据不同的判断结果实行不同的分配规则，将需求驱动力Fx分配至前轮、后轮、需求姿态俯仰角θ′，并将需求姿态俯仰角θ′发送至飞行姿态控制模块。
优选的，所述步骤S05具体为：飞行姿态控制模块计算需求姿态俯仰角θ′所需俯仰力矩，并将需求升力Fza及俯仰力矩分配至旋翼。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：行驶模式的主要部件为轮胎，飞行模式的主要部件为旋翼，两者均由同一个中央控制器集中控制，不存在两个控制器产生互相干扰的问题。实现行驶模式和飞行模式的协同控制，不需要停止行驶模式后，才能切换至飞行模式；或者停止飞行模式运行后，才能切换至行驶模式，提高了地面行驶与空中飞行两种运行模式的转换效率，从而提升陆空双模式设备的行驶安全性与运行效能。设备对应的控制方法具有与设备相同的有益效果。
附图说明
图1为陆空双模式设备的连接结构示意图。
图2为陆空双模式设备结构框图。
图3为陆空双模式设备全轮接触状态下的主视图，其中，箭头方向为前进方向。
图4为陆空双模式设备前轮接触状态下的主视图，其中，箭头方向为前进方向。
图5为陆空双模式设备后轮接触状态下的主视图，其中，箭头方向为前进方向。
图6为陆空双模式设备的控制方法的流程图。
图中标记：前轮-1、前轮电机-11、前轮驱动控制器-12、后轮-2、后轮电机-21、后轮驱动控制器-22、旋翼-3、旋翼电机-31、旋翼驱动控制器-32、中央控制器-4、轮胎接触状态判断模块-41、轮胎载荷估计模块-42、驱动力分配模块-43、飞行姿态控制模块-44、参数获取单元-5。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
请参看图1至图5，一种陆空双模式设备，包括两个前轮1、两个后轮2、四个旋翼3；每个前轮1由一个前轮电机11驱动，每个后轮2由一个后轮电机21驱动，每个旋翼3由一个旋翼电机31驱动；每个前轮电机11由一个前轮驱动控制器12控制，每个后轮电机21由一个后轮驱动控制器22控制，每个旋翼电机31由一个旋翼驱动控制器32控制。
陆空双模式设备还包括中央控制器4、安装在陆空双模式设备质心位置的参数获取单元5，参数获取单元5采用IMU惯性导航单元；中央控制器4采用两路CAN总线与其他部件建立通信，其中，第一路CAN总线连接两个前轮驱动控制器12及两个后轮驱动控制器22，用于发送指令至两个前轮驱动控制器12及两个后轮驱动控制器22，以控制两个前轮驱动控制器12及两个后轮驱动控制器22运行；第二路CAN总线连接四个旋翼驱动控制器32以及参数获取单元5，用于发送指令至四个旋翼驱动控制器32，以控制四个旋翼驱动控制器32运行，还用于接收四个旋翼驱动控制器32反馈的四个旋翼3的转速状态，及参数获取单元5反馈测量结果及车辆状态。采用两路CAN总线分别与前轮驱动控制器12、后轮驱动控制器22、旋翼驱动控制器32建立独立通信，使得陆空双模式设备的空中飞行功能和地面行驶功能能够独立运行，提高系统的可靠性和维护性。
中央控制器4包括依次建立通信的轮胎接触状态判断模块41、轮胎载荷估计模块42、驱动力分配模块43、飞行姿态控制模块44；
参数获取单元5还与轮胎接触状态判断模块41建立通信，用于测量陆空双模式设备的俯仰角度θ，并发送至轮胎接触状态判断模块41，轮胎接触状态判断模块41判断俯仰角度θ与临界俯仰角θc的关系：当|θ|≤θc时，则轮胎接触状态判断模块41判定轮胎为全轮接触状态；当θ>θc时，则轮胎接触状态判断模块41判定轮胎为前轮接触状态；当θ<-θc时，则轮胎接触状态判断模块41判定轮胎为后轮接触状态。
参数获取单元5还与轮胎载荷估计模块42建立通信，还用于测量陆空双模式设备的垂向加速度az、俯仰角加速度aθ，并发送至轮胎载荷估计模块42，轮胎载荷估计模块42计算前轮载荷之和Fzgf、后轮载荷之和Fzgr，并将计算结果发送至驱动力分配模块43；
轮胎载荷估计模块42计算前轮载荷之和Fzgf、后轮载荷之和Fzgr的方法为：当轮胎处于全轮接触状态时，轮胎载荷估计模块42调用计算公式：
Figure BDA0003281538750000061
式中，m为陆空双模式设备质量；g为重力加速度；Fza为陆空双模式设备的升力；Ma为陆空双模式设备的俯仰力矩；Fxgr为后轮驱动力；Fxgx为前轮驱动力；h为陆空双模式设备的质心距离地面的高度；Iy为陆空双模式设备的俯仰惯量；Lwf为陆空双模式设备的质心到前轮1的轴距；Lwr为陆空双模式设备的质心到后轮2的轴距；
当轮胎处于前轮接触状态时，轮胎载荷估计模块42调用计算公式：
Figure BDA0003281538750000062
当轮胎处于后轮接触状态时，轮胎载荷估计模块42调用计算公式：
Figure BDA0003281538750000063
驱动力分配模块43将需求驱动力Fx进行分配，判断Fx与μ(Fzgf+Fzgr)的关系，实行对应的分配规则，根据Fxf、Fxr分别将需求驱动力Fx分配至前轮驱动控制器12、后轮驱动控制器22、需求姿态俯仰角θ′，再由前轮驱动控制器12、后轮驱动控制器22分别控制前轮电机11、后轮电机21运行，进而控制前轮1、后轮2运行，并将分配规则所得需求姿态俯仰角θ′发送至飞行姿态控制模块44；驱动力分配模块43判断：
当Fx≤μ(Fzgf+Fzgr)时，实行分配规则：
Figure BDA0003281538750000071
式中，μ为地面附着系数，Fxf为需求前轮驱动力之和，Fxr为需求后轮驱动力之和，θ′为需求姿态俯仰角；
当Fx>μ(Fzgf+Fzgr)时，实行分配规则：
Figure BDA0003281538750000072
飞行姿态控制模块44接收需求姿态俯仰角θ′，并通过PID算法计算需求姿态俯仰角θ′所需俯仰力矩，将需求升力Fza及俯仰力矩分配至旋翼驱动控制器32，再由旋翼驱动控制器32控制旋翼电机31运行，进而控制旋翼3运行。
中央控制器4通过上述方式控制陆空双模式设备实现了在非停止状态下完成行驶模式与陆空模式的动态切换，由于两个模式均由同一个中央控制器4控制，不存在两个控制器产生互相干扰的问题，提高了陆空双模式设备陆空模式的转换效率，也提高了陆空双模式设备的行驶安全性、机动性、经济性、运行效能。实现行驶、飞行两种状态的转换、协同控制，提高了切换效率和陆空双模式设备的灵活性。能够广泛适用于所有涉及陆空模式切换的陆空双模式设备，例如多旋翼飞行汽车、涵道式飞行汽车、多旋翼飞行器、无人机、陆空两栖侦查机器人。
进一步的，驱动力分配模块43根据前轮载荷之和Fzgf将需求驱动力Fx按照分配规则平均分配至两个前轮驱动控制器12、根据后轮载荷之和Fzgr将需求驱动力Fx按照分配规则平均分配至两个后轮驱动控制器22。
进一步的，需求驱动力Fx为外部输入的驱动力，例如陆空双模式设备的油门控制指令或驾驶员的油门操作指令；需求驱动力Fx与驱动力分配模块43建立通信，将其本身数据实时传输至驱动力分配模块43。
请参看图6，一种陆空双模式设备的控制方法，包括以下步骤：
S01：在陆空双模式设备的质心位置安装参数获取单元，发送其测量的陆空双模式设备的俯仰角度θ至轮胎接触状态判断模块，发送其测量的陆空双模式设备的垂向加速度az、俯仰角加速度aθ至轮胎载荷估计模块；
S02：轮胎接触状态判断模块判断θ与临界俯仰角θc的关系：当|θ|≤θc时，则判定轮胎为全轮接触状态，进行步骤S031；当θ>θc时，则判定轮胎为前轮接触状态，进行步骤S032；当θ<-θc时，则判定轮胎为后轮接触状态，进行步骤S033；
S031：轮胎载荷估计模块调用如下公式A计算前轮载荷之和Fzgf、后轮载荷之和Fzgr，并将计算结果发送至驱动力分配模块：
Figure BDA0003281538750000081
式中，m为陆空双模式设备质量；g为重力加速度；Fza为陆空双模式设备的升力；Ma为陆空双模式设备的俯仰力矩；Fxgr为后轮驱动力；Fxgx为前轮驱动力；h为陆空双模式设备的质心距离地面的高度；Iy为陆空双模式设备的俯仰惯量；Lwf为陆空双模式设备的质心到前轮的轴距；Lwr为陆空双模式设备的质心到后轮的轴距；
S032：轮胎载荷估计模块调用如下公式B计算前轮载荷之和Fzgf、后轮载荷之和Fzgr，并将计算结果发送至驱动力分配模块：
Figure BDA0003281538750000091
S033：轮胎载荷估计模块调用如下公式C计算前轮载荷之和Fzgf、后轮载荷之和Fzgr，并将计算结果发送至驱动力分配模块：
Figure BDA0003281538750000092
S04：驱动力分配模块分配需求驱动力Fx：
当Fx≤μ(Fzgf+Fzgr)时，实行分配规则A：
Figure BDA0003281538750000093
式中，μ为地面附着系数，Fxf为需求前轮驱动力之和，Fxr为需求后轮驱动力之和，θ′为需求姿态俯仰角；
当Fx>μ(Fzgf+Fzgr)时，实行分配规则B：
Figure BDA0003281538750000094
S05：驱动力分配模块根据需求前轮驱动力之和Fxf、需求后轮驱动力之和Fxr分别将需求驱动力Fx分配至前轮驱动控制器、后轮驱动控制器、需求姿态俯仰角θ′，再由前轮驱动控制器、后轮驱动控制器分别控制前轮电机、后轮电机运行，进而控制前轮、后轮运行，并将分配规则所得需求姿态俯仰角θ′发送至飞行姿态控制模块；
S06：飞行姿态控制模块通过PID算法，计算需求姿态俯仰角θ′所需俯仰力矩，将需求升力Fza及俯仰力矩分配至旋翼驱动控制器，再由旋翼驱动控制器控制旋翼电机运行，进而控制旋翼运行。
本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种陆空双模式设备的控制方法，其特征在于，陆空双模式设备包括轮胎、旋翼及中央控制器；所述轮胎包括前轮、后轮；中央控制器与轮胎、旋翼均建立通信并同时控制两者运行；中央控制器能够控制轮胎和旋翼同步或非同步启动运行；所述中央控制器包括依次建立通信的轮胎接触状态判断模块、轮胎载荷估计模块、驱动力分配模块、飞行姿态控制模块；轮胎接触状态判断模块用于判断陆空双模式设备的轮胎接触状态，轮胎载荷估计模块用于计算前轮载荷之和Fzgf、后轮载荷之和Fzgr，驱动力分配模块用于分配需求驱动力Fx，飞行姿态控制模块用于分配需求升力
Figure FDA0004104413750000011
及俯仰力矩；还包括参数获取单元，用于测量陆空双模式设备的俯仰角度θ、垂向加速度az、俯仰角加速度aθ；
该方法包括以下步骤：
S01、参数获取单元测量陆空双模式设备的参数，并将对应参数发送至轮胎接触状态判断模块、轮胎载荷估计模块；
S02、轮胎接触状态判断模块根据接收到的参数判定陆空双模式设备的轮胎接触状态，并将判定结果发送至轮胎载荷估计模块；
S03、轮胎载荷估计模块根据轮胎不同的接触状态及接收到的参数，计算对应接触状态下前轮载荷之和Fzgf、后轮载荷之和Fzgr，并将计算结果发送至驱动力分配模块；
S04、驱动力分配模块将需求驱动力Fx分配至前轮、后轮；并依照分配规则得到需求姿态俯仰角θ'；
S05、飞行姿态控制模块将需求升力Fza及俯仰力矩分配至旋翼。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤S01具体为：参数获取单元测量陆空双模式设备的俯仰角度θ、垂向加速度az、俯仰角加速度aθ，并将测量的陆空双模式设备的俯仰角度θ发送至轮胎接触状态判断模块、测量的陆空双模式设备的垂向加速度az和俯仰角加速度aθ发送至轮胎载荷估计模块。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述步骤S04具体为：驱动力分配模块根据前轮载荷之和Fzgf、后轮载荷之和Fzgr判断需求驱动力Fx与地面最大附着力的关系，根据不同的判断结果实行不同的分配规则，将需求驱动力Fx分配至前轮、后轮；并依照分配规则得到需求姿态俯仰角θ'，并将需求姿态俯仰角θ'发送至飞行姿态控制模块。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述步骤S05具体为：飞行姿态控制模块计算需求姿态俯仰角θ'所需俯仰力矩，并将需求升力Fza及俯仰力矩分配至旋翼。
5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述参数获取单元与轮胎接触状态判断模块、轮胎载荷估计模块均建立通信。
6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述前轮电性连接有前轮驱动控制器，后轮电性连接有后轮驱动控制器、旋翼电性连接有旋翼驱动控制器，该三个驱动控制器均与中央控制器建立通信，中央控制器通过控制三个驱动控制器的方式控制前轮、后轮、旋翼运行。
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