CN115892266A - 深海行走装置及其地形识别、车身姿态控制方法 - Google Patents

深海行走装置及其地形识别、车身姿态控制方法 Download PDF

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CN115892266A
CN115892266A CN202211481137.4A CN202211481137A CN115892266A CN 115892266 A CN115892266 A CN 115892266A CN 202211481137 A CN202211481137 A CN 202211481137A CN 115892266 A CN115892266 A CN 115892266A
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CN202211481137.4A
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陈垦
杜新光
曹阳
李松羽
胡江平
侯家怡
阚甜甜
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702th Research Institute of CSIC
Taihu Laboratory of Deep Sea Technological Science
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702th Research Institute of CSIC
Taihu Laboratory of Deep Sea Technological Science
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Abstract

本发明涉及一种深海行走装置及其地形识别、车身姿态控制方法，采用四履带模式实现行走，装置包括履带模块、悬挂机构、车体、地形识别系统、车身姿态控制系统。履带模块有4个，每个履带模块均安装有姿态传感器和压力传感器；车体上安装有惯导，地形识别系统由4个履带姿态传感器和车体上的惯导组成。当采矿车在海底作业时，车身姿态控制系统根据所搭载的4个履带姿态传感器采集的姿态信息计算出当前车体的状态，通过悬挂系统实时调节压力或是长度，通过惯导监控调整效果，可使采矿车车体产生较小的纵倾角、横摇角，增加采矿车的抗倾覆能力和地形通过能力，从而适应海底复杂的地形。

Description

深海行走装置及其地形识别、车身姿态控制方法
技术领域
本发明涉及技术领域，尤其是一种深海行走装置及其地形识别、车身姿态控制方法。
背景技术
海底地面常有异形崎岖路况，深海机器人如采矿车在海底行走探测时，容易受到地形影响，卡滞不前甚至翻车。
目前，行业中常在行走装置两侧设置大面积的履带作为异形地面专用装置，但遇到高低起伏大的路况时，仍会产生履带局部与地面接触、局部悬空的情况，导致整体车身不稳。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的深海行走装置及其地形识别、车身姿态控制方法，旨在提高采矿车的地形通过能力、过坑能力、越障能力和抗倾覆能力。
本发明所采用的技术方案如下：
一种深海行走装置，包括车体，所述车体顶部设置电子舱及惯导，所述车体上引出有悬挂机构，悬挂机构伸出车体的一端铰接连接有履带模块，
所述悬挂机构包括：
悬挂油缸，铰接在车体上，
四连杆机构，铰接在悬挂油缸的活塞杆上，四连杆机构的两平行面分别与车体、履带模块铰接；履带模块绕铰接点做回转运动。
所述履带模块上安装有姿态传感器，所述车体上安装有惯导，惯导和姿态传感器信号传入电子舱内控制器；悬挂油缸上安装有压力传感器，压力传感器的信号传输至电子舱内。
电子舱内包括悬挂长度控制系统和悬挂压力控制系统。
一种深海行走装置的地形识别方法，包括如下步骤：
在深海行走装置的行走过程中，每个履带模块上的姿态传感器实时测量对应履带模块的姿态信息，车体上的惯导实时测量车体姿态信息，每个悬挂油缸上的压力传感器测量每个悬挂油缸的压力值，并传输至电子舱内控制器处；姿态信息包括纵倾角和横摇角，
电子舱中的地形识别系统根据所收到的信号，判断深海行走装置的车体处于平地行走、坡面行走或异形海底地形行走。
当每个履带模块上的姿态传感器所采集的纵倾角、横摇角都是0时，车体处于水平状态；
当每个履带模块上的姿态传感器所采集的纵倾角为0且横摇角不为0时；或：当每个履带模块上的姿态传感器所采集的纵倾角相等且不为0时；或：当每个履带模块上的姿态传感器所采集的纵倾角相等且不为0且横摇角不为0时，判断深海行走装置在坡道上行驶；
当有至少一个的履带纵倾角与其它履带纵倾角不相等时，判定深海行走装置在异形海底地形行走。
地形识别过程中，纵倾角、横摇角的判断顺序如下：
先判断纵倾角是否相等；
纵倾角相等的前提下，判断纵倾角是否为0；
纵倾角为0的前提下，判断横摇角是否为0，横摇角为0则无需补偿，横摇角不为0则启用悬挂长度控制系统补偿横摇角；
纵倾角不为0的前提下，判断横摇角是否为0，横摇角为0则启用悬挂长度控制系统补偿纵倾角，横摇角不为0则启用悬挂长度控制系统补偿纵倾角和横摇角；
纵倾角如不相等，则单个纵倾角不为0时，为单履带遇障碍，启用悬挂压力控制系统进行补偿；
两个纵倾角不为0时，为双履带遇障碍，启用悬挂压力控制系统进行补偿；
两个以上的纵倾角不为0时，为异形地形行驶，启用悬挂压力控制系统进行补偿。
每个履带模块上的姿态传感器所测得的横摇角，取平均值作为地形横摇角。
一种深海行走装置的车身姿态控制方法，包括如下步骤：
当深海行走装置在平地上行走时，无需补偿姿态；
当深海行走装置在坡道上行走时，启用悬挂长度控制系统对纵倾角、横摇角进行补偿；
当深海行走装置在异形海底地形行走时，启用悬挂压力控制系统控制每个悬挂油缸的油腔压力，使各悬挂油缸输出的支撑力保持相等，车体趋于水平状态。
悬挂长度控制算法如下：
令左前、右前、左后、右后悬挂油缸的伸缩量分别为：L1、L2、L3、L4，令左右履带的间距为B，前后履带中心距为H。各悬挂油缸的伸缩量计算分别方法为：
当履带姿态传感器测得纵倾角为β时，以悬挂油缸伸出50％位置为零点，令左前L1、右前L2悬挂油缸缩短值等于左后L3、右后L4悬挂油缸的伸长值，即：
L3＝-L1 (1)
L4＝-L2 (2)
各油缸的长度计算方法为：
L3-L1＝H·tanβ (3)
L4-L2＝H·tanβ (4)
则各悬挂油缸的伸缩量为：
Figure BDA0003961641720000031
Figure BDA0003961641720000032
Figure BDA0003961641720000033
Figure BDA0003961641720000041
当履带姿态传感器测得横摇角为α时，以悬挂油缸伸出50％位置为零点，令左前L1、左后L3悬挂油缸缩短值等于右前L2、右后L4悬挂油缸的伸长值，即：
L2＝-L1 (9)
L4＝-L3 (10)
各油缸的长度计算方法为：
L2-L1＝B·tanα (11)
L4-L3＝B·tanα (12)
则各悬挂油缸的伸缩量为：
Figure BDA0003961641720000042
Figure BDA0003961641720000043
Figure BDA0003961641720000044
Figure BDA0003961641720000045
当位于履带的姿态传感器测得横摇角为α，纵倾角β时，在方式(1)、方式(2)的基础上，各悬挂油缸的伸缩长度为：
Figure BDA0003961641720000046
Figure BDA0003961641720000047
Figure BDA0003961641720000048
Figure BDA0003961641720000049
悬挂压力控制算法如下：
令左前、右前、左后、右后悬挂油缸的压力分别为：P1、P2、P3、P4,各悬挂油缸的伸缩量计算分别方法为：
Figure BDA0003961641720000051
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，当深海行走装置在海底作业时，电子舱接收传感器发出的信号，及时感知四个履带模块下对应的路况。通过悬挂系统适时调节悬挂油缸的压力，或伸出的长度，并通过惯导监控调整效果，使采矿车车体产生较小的纵倾角、横摇角，采矿车车体尽量保持水平，增加采矿车的抗倾覆能力和地形通过能力，从而适应海底复杂的地形。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的悬挂机构示意图。
图3为图3的信号传输示意框图。
图4为本发明的悬挂长度控制算法框图。
图5为本发明的悬挂压力控制算法框图。
图6为本发明的采矿车横摇角示意图。
图7为本发明的采矿车纵倾角示意图。
图8为采矿车履带模块遇障时的动作示意图。
其中：1、车体；2、悬挂机构；3、履带模块；
201、悬挂油缸；202、四连杆机构；203、铰接轴。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1-图2所示一种深海行走装置，包括车体，车体顶部设置电子舱及惯导，车体上引出有悬挂机构2，悬挂机构2伸出车体的一端铰接连接有履带模块3，
如图2所示，悬挂机构2包括：
悬挂油缸201，铰接在车体1上，
四连杆机构202，铰接在悬挂油缸201的活塞杆上，四连杆机构202的两平行面分别与车体1、履带模块3铰接；履带模块3绕铰接点做回转运动。
履带模块3上安装有姿态传感器，车体1电子舱内安装有惯导，惯导和姿态传感器信号传入电子舱内控制器；悬挂油缸201上安装有压力传感器，压力传感器的信号传输至电子舱内。
如图3所示，电子舱内包括悬挂长度控制系统和悬挂压力控制系统。
一种深海行走装置的地形识别方法，包括如下步骤：
在深海行走装置的行走过程中，每个履带模块3上的姿态传感器实时测量对应履带模块3的姿态信息，车体1上的惯导实时测量车体姿态信息，每个悬挂油缸201上的压力传感器测量每个悬挂油缸201的压力值，并传输至电子舱控制器处；姿态信息包括纵倾角和横摇角，
电子舱中的地形识别系统根据所收到的信号，判断深海行走装置的车体1处于平地行走、坡面行走或异形海底地形行走。
当每个履带模块3上的姿态传感器所采集的纵倾角、横摇角都是0时，车体1处于水平状态；
当每个履带模块3上的姿态传感器所采集的纵倾角为0且横摇角不为0时；或：当每个履带模块3上的姿态传感器所采集的纵倾角相等且不为0时；或：当每个履带模块3上的姿态传感器所采集的纵倾角相等且不为0且横摇角不为0时，判断深海行走装置在坡道上行驶；
当有至少一个的履带纵倾角与其它履带纵倾角不相等时，判定深海行走装置在异形海底地形行走。
地形识别过程中，纵倾角、横摇角的判断顺序如下表：
Figure BDA0003961641720000061
Figure BDA0003961641720000071
先判断纵倾角是否相等；
纵倾角相等的前提下，判断纵倾角是否为0；
纵倾角为0的前提下，判断横摇角是否为0，横摇角为0则无需补偿，横摇角不为0则启用悬挂长度控制系统补偿横摇角；
纵倾角不为0的前提下，判断横摇角是否为0，横摇角为0则启用悬挂长度控制系统补偿纵倾角，横摇角不为0则启用悬挂长度控制系统补偿纵倾角和横摇角；
纵倾角如不相等，则单个纵倾角不为0时，为单履带遇障碍，启用悬挂压力控制系统进行补偿；
两个纵倾角不为0时，为双履带遇障碍，启用悬挂压力控制系统进行补偿；
两个以上的纵倾角不为0时，为异形地形行驶，启用悬挂压力控制系统进行补偿。
每个履带模块3上的姿态传感器所测得的横摇角，取平均值作为地形横摇角。
一种深海行走装置的车身姿态控制方法，包括如下步骤：
当深海行走装置在平地上行走时，无需补偿姿态；
当深海行走装置在坡道上行走时，启用悬挂长度控制系统对纵倾角、横摇角进行补偿；
当深海行走装置在异形海底地形行走时，启用悬挂压力控制系统控制每个悬挂油缸201的油腔压力，使各悬挂油缸201输出的支撑力保持相等，车体1趋于水平状态。
如图4所示，结合图6和图7的角度标识，悬挂长度控制算法如下：
令左前、右前、左后、右后悬挂油缸201的伸缩量分别为：L1、L2、L3、L4，令左右履带的间距为B，前后履带中心距为H。各悬挂油缸201的伸缩量计算分别方法为：
当履带姿态传感器测得纵倾角为β时，以悬挂油缸201伸出50％位置为零点，令左前L1、右前L2悬挂油缸201缩短值等于左后L3、右后L4悬挂油缸201的伸长值，即：
L3＝-L1 (1)
L4＝-L2 (2)
各油缸的长度计算方法为：
L3-L1＝H·tanβ (3)
L4-L2＝H·tanβ (4)
则各悬挂油缸201的伸缩量为：
Figure BDA0003961641720000081
Figure BDA0003961641720000082
Figure BDA0003961641720000083
Figure BDA0003961641720000084
当履带姿态传感器测得横摇角为α时，以悬挂油缸201伸出50％位置为零点，令左前L1、左后L3悬挂油缸201缩短值等于右前L2、右后L4悬挂油缸201的伸长值，即：
L2＝-L1 (9)
L4＝-L3 (10)
各油缸的长度计算方法为：
L2-L1＝B·tanα (11)
L4-L3＝B·tanα (12)
则各悬挂油缸201的伸缩量为：
Figure BDA0003961641720000091
Figure BDA0003961641720000092
Figure BDA0003961641720000093
Figure BDA0003961641720000094
当位于履带的姿态传感器测得横摇角为α，纵倾角β时，在方式(1)、方式(2)的基础上，各悬挂油缸201的伸缩长度为：
Figure BDA0003961641720000095
Figure BDA0003961641720000096
Figure BDA0003961641720000097
Figure BDA0003961641720000098
如图5所示，结合图6和图7的角度标识，悬挂压力控制算法如下：
令左前、右前、左后、右后悬挂油缸201的压力分别为：P1、P2、P3、P4,各悬挂油缸201的伸缩量计算分别方法为：
Figure BDA0003961641720000101
本发明的具体结构及工作原理如下：
以采矿车为例，本发明的一个实施方式中，采矿车的车体1配有四个履带模块3，每个履带模块3对应一组悬挂机构2，悬挂机构2包括铰接在车体1上的悬挂油缸201，悬挂油缸201的输出端伸出车体1之外，并铰接有四连杆机构202。四连杆机构202的竖直方向的两个平面分别用于与车体1和履带模块3相连，其中，四连杆机构202与履带模块3之间采用铰接轴203实现相对转动连接。当悬挂油缸201的活塞杆伸出或缩回时，四连杆机构202的四根连杆发生相对运动，从而带动履带模块3发生对应的调节运动，使车体1在行驶过程中尽量保持水平。
当海底地形有高低起伏时，每个履带模块可以根据地形特点自适应地响应，因履带模块可以绕铰接轴旋转；当采矿车产生倾斜时，位于4个履带的的姿态传感器和安装在车体上的惯导组成的地形识别系统可以综合的计算出采矿车是处于平地行驶、坡道行驶或是不规则地面行驶。再根据地形情况选取控制策略，即采用悬挂压力控制系统或是悬挂长度控制系统来使采矿车车身保持水平。
具体操作步骤如下：
第一步，采集4个履带的姿态信息，采集4个悬挂油缸油腔中的压力值。
用4个安装在履带上的姿态传感器测量分别测量每个履带的姿态角，用4个安装在悬挂油缸上的压力传感器实时测量每个悬挂油缸的压力值。
第二步，根据4个履带的姿态信息识别当前的地形。
地形识别系统根据4个履带模块的姿态传感器识别出出采矿车当前是处于平地行走、坡面行走或是不规则地形行驶。
当4个履带姿态传感器采集的纵倾角和横摇角都是0时，则车身处于水平状态，不需要补偿姿态；
当4个采集的纵倾角为0而横摇角不为0时、当4个采集的纵倾角相等不为0或是4各纵倾角相等不为0而横摇角也不为0时，说明采矿车在坡道上行驶，控制器启用悬挂长度控制系统来对纵倾角、横摇角进行补偿；
当有1个及以上履带纵倾角与其它履带纵倾角不相等时，判定行走装置在不规则路面环境行驶，这时已无法通过姿态传感器来精确测出障碍物的高度及大小，控制器启用悬挂压力控制系统来控制每个悬挂油缸的油腔压力，使各悬挂油缸输出的支撑力保持相等，从而间接的使车身趋于水平姿态。
第三步，控制器根据识别的地形匹配相应控制算法
对于各履带纵倾角相等，说明海底地形比较规律，可以通过控制器精确计算出每个履带悬挂油缸的伸缩长度，从而使车身处于水平姿态。
当有1个及以上履带纵倾角与其它履带纵倾角不相等时，地形环境通常比较复杂，很难通过算法精确计算出每根油缸应该伸出的长度，控制目标是使每个悬挂履带模块都能与海底接触，即通过控制器使每个履带悬挂油缸的油腔压力值相等，从而间接的使车身趋于水平姿态。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种深海行走装置，包括车体(1)，所述车体(1)顶部设置电子舱及惯导，其特征在于：所述车体(1)上引出有悬挂机构(2)，悬挂机构(2)伸出车体(1)的一端铰接连接有履带模块(3)，
所述悬挂机构(2)包括：
悬挂油缸(201)，铰接在车体(1)上，
四连杆机构(202)，铰接在悬挂油缸(201)的活塞杆上，四连杆机构(202)的两平行面分别与车体(1)、履带模块(3)铰接；履带模块(3)绕铰接点做回转运动。
2.如权利要求1所述的深海行走装置，其特征在于：所述履带模块(3)上安装有姿态传感器，车体(1)电子舱内安装有惯导，惯导和姿态传感器信号传入电子舱内控制器；悬挂油缸(201)上安装有压力传感器，压力传感器的信号传输至电子舱内。
3.如权利要求2所述的深海行走装置，其特征在于：电子舱内包括悬挂长度控制系统和悬挂压力控制系统。
4.一种权利要求1所述的深海行走装置的地形识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
在深海行走装置的行走过程中，每个履带模块(3)上的姿态传感器实时测量对应履带模块(3)的姿态信息，车体(1)上的惯导实时测量车体姿态信息，每个悬挂油缸(201)上的压力传感器测量每个悬挂油缸(201)的压力值，并传输至电子舱控制器处；姿态信息包括纵倾角和横摇角，
电子舱中的地形识别系统根据所收到的信号，判断深海行走装置的车体(1)处于平地行走、坡面行走或异形海底地形行走。
5.如权利要求4所述的深海行走装置的地形识别方法，其特征在于，
当每个履带模块(3)上的姿态传感器所采集的纵倾角、横摇角都是0时，车体(1)处于水平状态；
当每个履带模块(3)上的姿态传感器所采集的纵倾角为0且横摇角不为0时；或：当每个履带模块(3)上的姿态传感器所采集的纵倾角相等且不为0时；或：当每个履带模块(3)上的姿态传感器所采集的纵倾角相等且不为0且横摇角不为0时，判断深海行走装置在坡道上行驶；
当有至少一个的履带纵倾角与其它履带纵倾角不相等时，判定深海行走装置在异形海底地形行走。
6.如权利要求5所述的深海行走装置的地形识别方法，其特征在于，地形识别过程中，纵倾角、横摇角的判断顺序如下：
先判断纵倾角是否相等；
纵倾角相等的前提下，判断纵倾角是否为0；
纵倾角为0的前提下，判断横摇角是否为0，横摇角为0则无需补偿，横摇角不为0则启用悬挂长度控制系统补偿横摇角；
纵倾角不为0的前提下，判断横摇角是否为0，横摇角为0则启用悬挂长度控制系统补偿纵倾角，横摇角不为0则启用悬挂长度控制系统补偿纵倾角和横摇角；
纵倾角如不相等，则单个纵倾角不为0时，为单履带遇障碍，启用悬挂压力控制系统进行补偿；
两个纵倾角不为0时，为双履带遇障碍，启用悬挂压力控制系统进行补偿；
两个以上的纵倾角不为0时，为异形地形行驶，启用悬挂压力控制系统进行补偿。
7.如权利要求4所述的深海行走装置的地形识别方法，其特征在于，每个履带模块(3)上的姿态传感器所测得的横摇角，取平均值作为地形横摇角。
8.一种权利要求1所述的深海行走装置的车身姿态控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
当深海行走装置在平地上行走时，无需补偿姿态；
当深海行走装置在坡道上行走时，启用悬挂长度控制系统对纵倾角、横摇角进行补偿；
当深海行走装置在异形海底地形行走时，启用悬挂压力控制系统控制每个悬挂油缸(201)的油腔压力，使各悬挂油缸(201)输出的支撑力保持相等，车体(1)趋于水平状态。
9.如权利要求8所述的车身姿态控制方法，其特征在于，悬挂长度控制算法如下：
令左前、右前、左后、右后悬挂油缸(201)的伸缩量分别为：L1、L2、L3、L4，令左右履带的间距为B，前后履带中心距为H。各悬挂油缸(201)的伸缩量计算分别方法为：
当履带姿态传感器测得纵倾角为β时，以悬挂油缸(201)伸出50％位置为零点，令左前L1、右前L2悬挂油缸(201)缩短值等于左后L3、右后L4悬挂油缸(201)的伸长值，即：
L3＝-L1 (1)
L4＝-L2 (2)
各油缸的长度计算方法为：
L3-L1＝H·tanβ (3)
L4-L2＝H·tanβ (4)
则各悬挂油缸(201)的伸缩量为：
Figure FDA0003961641710000031
Figure FDA0003961641710000032
Figure FDA0003961641710000033
Figure FDA0003961641710000034
当履带姿态传感器测得横摇角为α时，以悬挂油缸(201)伸出50％位置为零点，令左前L1、左后L3悬挂油缸(201)缩短值等于右前L2、右后L4悬挂油缸(201)的伸长值，即：
L2＝-L1 (9)
L4＝-L3 (10)
各油缸的长度计算方法为：
L2-L1＝B·tanα (11)
L4-L3＝B·tanα (12)
则各悬挂油缸(201)的伸缩量为：
Figure FDA0003961641710000041
Figure FDA0003961641710000042
Figure FDA0003961641710000043
Figure FDA0003961641710000044
当位于履带的姿态传感器测得横摇角为α，纵倾角β时，在方式(1)、方式(2)的基础上，各悬挂油缸(201)的伸缩长度为：
Figure FDA0003961641710000045
Figure FDA0003961641710000046
Figure FDA0003961641710000047
Figure FDA0003961641710000048
10.如权利要求8所述的车身姿态控制方法，其特征在于，悬挂压力控制算法如下：
令左前、右前、左后、右后悬挂油缸(201)的压力分别为：P1、P2、P3、P4,各悬挂油缸(201)的伸缩量计算分别方法为：
Figure FDA0003961641710000051
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