一种无人三栖车的控制系统及其控制方法

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一种无人三栖车的控制系统及其控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于现代交通技术领域，涉及到一种控制系统，特别涉及到一种无人三栖车的控制系统及其控制方法。\n背景技术\n[0002] 目前的交通运输工具都有其专属用场，汽车在陆地上行驶，轮船在水中航行，飞机在空中飞行。虽然有少量的两栖车可以在水里或陆地上行驶，但尚无能够在水、陆、空三栖都能行驶的车辆，尤其是具有无人驾驶功能的三栖车辆。无人三栖车不受路况环境的限制，能够应用于军事活动、抢险救灾等方面。控制系统是无人三栖车的核心，是决定无人三栖车在水、陆、空都能行驶的关键。现有控制系统在两栖车上实现了成功应用，但尚未发现能够成功应用在三栖车上的控制系统，特别是具有无人驾驶功能的三栖车的控制系统，而现有的两栖车控制系统不能使三栖车在水、陆、空都能实现其功能。\n发明内容\n[0003] 为满足社会需求，本发明要设计一种能使无人三栖车在水、陆、空三种场地都能稳定行驶且可靠性强的无人三栖车的控制系统及其控制方法。\n[0004] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种无人三栖车的控制系统，包括信息采集模块、信息处理模块、模式选择模块和执行机构模块；\n[0005] 所述的信息采集模块包括GPS定位传感器、一对CCD图像传感器、陀螺仪、微波雷达传感器、主驱动电机转速传感器、副驱动电机转速传感器和角位移传感器，所述的GPS定位传感器、一对CCD图像传感器、陀螺仪、微波雷达传感器、主驱动电机转速传感器、副驱动电机转速传感器和角位移传感器分别通过电线连接到信息处理模块；其中，GPS定位传感器用来获取无人三栖车的定位信息、确定无人三栖车的位置，CCD图像传感器用来采集无人三栖车前方图像数据，陀螺仪用来精确地确定运动车体的姿态，微波雷达传感器用来检测影响无人三栖车行驶的前方障碍物，主驱动电机转速传感器和副驱动电机转速传感器分别用来获取主驱动电机转速信号和副驱动电机转速信号，角位移传感器用来检测步进电机的旋转角度；\n[0006] 所述的信息处理模块包括嵌入式电控单元，其作用是根据信息采集模块获取的当前外部环境信息进行处理，与预装在嵌入式电控单元里的地理信息数据结合，自主判断选择正确的模式，从而控制执行机构模块中的部件进行相应的动作；所述的外部环境信息包括无人三栖车的位置、姿态、前方道路图像、前方障碍物在车体坐标系中的位置；\n[0007] 所述的模式选择模块包括陆地模式控制器、水上模式控制器、飞行模式控制器和六个电控离合器，其中，电控离合器A控制陆地模式时驱动动力传递的通与断；电控离合器B控制水上模式时驱动动力传递的通与断；电控离合器C控制飞行模式时驱动动力传递的通与断；电控离合器D控制陆地模式时转向动力传递的通与断；电控离合器E控制水上模式时转向动力传递的通与断；电控离合器F控制飞行模式时转向动力传递的通与断；陆地模式控制器控制电控离合器A和电控离合器D的开与关；水上模式控制器控制电控离合器B和电控离合器E的开与关；飞行模式控制器控制电控离合器C和电控离合器F的开与关；\n模式选择模块的作用是根据信息处理模块发送的指令控制三种模式控制器，从而控制相应的电控离合器的接合与分离，从而使无人三栖车切换到正确的模式中；\n[0008] 所述的执行机构模块由主驱动电机、副驱动电机和一个步进电机组成；主驱动电机既作为陆地模式时汽车驱动电机，也作为水上模式时螺旋桨的驱动电机，还作为飞行模式时上旋翼的驱动电机；副驱动电机在飞行模式下只驱动下旋翼；在陆地模式和水上模式时，步进电机控制无人三栖车的转向，而在飞行模式时步进电机控制无人三栖车的前进与后退。\n[0009] 一种无人三栖车的控制系统的控制方法，包括以下步骤：\n[0010] A、由信息采集模块对当前无人三栖车周围环境和所处位置、姿态、道路图像、前方障碍物在车体坐标系中的位置进行采集；\n[0011] B、由信息处理模块对步骤A所获得的信息进行处理，与预装的地理信息数据结合，综合评判当前无人三栖车所处的环境，规划出前方道路的有效路径节点，然后控制无人三栖车按规划好的路径进行自主行驶，在行驶过程中，根据所处道路环境在陆地模式、水上模式和飞行模式之间进行自主切换：\n[0012] B1、陆地模式：无人三栖车的主要运行模式；在这种模式下，嵌入式电控单元给模式选择模块发送指令，模式选择模块接收到指令后，将同时接通电控离合器A和电控离合器D；然后，主驱动电机通过电控离合器A将动力传递给驱动轮来驱动无人三栖车在陆地上行驶，步进电机通过电控离合器D与转向器相连来改变无人三栖车在陆地上的行驶方向；\n在行驶的过程中，嵌入式电控单元通过控制主驱动电机的转速来控制无人三栖车在陆地上的速度；嵌入式电控单元通过控制步进电机的转角来改变无人三栖车在陆地上行驶的方向；如果在地理信息数据中前方路径为满足水上模式的水域，无人三栖车则进入水上模式；\n按照水上模式自主行驶；如果无人三栖车无法避让前方路径上遇到的障碍物，无人三栖车则进入飞行模式；\n[0013] B2、水上模式：在这种模式下，嵌入式电控单元给模式选择模块发送指令，模式选择模块接收到指令后，将同时接通电控离合器B和电控离合器E；然后，主驱动电机通过电控离合器B将动力传递给螺旋桨来驱动无人三栖车在水上行驶，步进电机通过电控离合器E与舵相连来改变无人三栖车在水上的行驶方向；在行驶过程中，嵌入式电控单元通过控制主驱动电机的转速来控制无人三栖车在水上的行驶速度；嵌入式电控单元通过控制步进电机的转角来改变无人三栖车在水上行驶的方向；如果到达岸边，无人三栖车自主切换到陆地模式；如果不能直接切换，无人三栖车则通过飞行模式过渡，由水上模式向陆地模式切换；然后，按照陆地模式自主行驶；\n[0014] B3、飞行模式：在陆地模式和水上模式都无法行驶时才使用飞行模式；在这种模式下，嵌入式电控单元给模式选择模块发送指令，模式选择模块接收到指令后，将同时接通电控离合器C和电控离合器F；然后，主驱动电机通过电控离合器C将动力传递给上旋翼，步进电机通过电控离合器F与拉杆组件相连来控制无人三栖车在空中的前进或后退；同时，嵌入式电控单元也会控制副驱动电机驱动下旋翼转动；在飞行的过程中，嵌入式电控单元分别控制主驱动电机和副驱动电机的转速，根据主驱动电机和副驱动电机的转速差来控制无人三栖车在空中的左转或右转；如果上旋翼的转速n上等于下旋翼的转速n下，嵌入式电控单元通过控制主驱动电机和副驱动电机以相同的转速变化来控制无人三栖车的上升或下降；嵌入式电控单元通过控制步进电机的转角来控制拉杆组件上下移动，从而控制旋翼的平面倾斜方向来控制无人三栖车在空中的前进或后退；当到达依据地理信息数据所规划的最近一个可降落路径节点后，无人三栖车降落；如果降落位置为陆地，按照陆地模式自主行驶；如果降落位置为水域，按照水上模式自主行驶。\n[0015] 本发明的效果和益处是：\n[0016] 本发明通过设置陆地模式、水上模式和飞行模式之间进行自主切换的模式选择模块，克服了现有两栖车的控制系统不能控制无人三栖车的问题，具有可靠的稳定性和鲁棒性，使无人三栖车在水、陆、空都具有自主行驶功能，能够实现水、陆、空多用的功能，具有很高的恶劣环境适应能力；能够为军事活动、突发灾难救援等应用领域提供便利的交通、物质运输工具。\n附图说明\n[0017] 本发明共有附图2张，其中：\n[0018] 图1是本发明的系统结构示意图；\n[0019] 图2是本发明实施例的控制过程流程图。\n[0020] 图中：1、信息处理模块；2、信息采集模块；3、GPS定位传感器；4、CCD图像传感器；\n5、陀螺仪；6、微波雷达传感器；7、主驱动电机转速传感器；8、副驱动电机转速传感器；9、角位移传感器；10、嵌入式电控单元；11、水上模式控制器；12、飞行模式控制器；13、步进电机；14、副驱动电机；15、电控离合器F；16、下旋翼；17、拉杆组件；18、上旋翼；19、电控离合器C；20、电控离合器E；21、舵；22、螺旋桨；23、电控离合器B；24、转向器；25、电控离合器D；26、驱动轮；27、电控离合器A；28、主驱动电机；29、陆地模式控制器。\n具体实施方式\n[0021] 以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。如图1所示一种无人三栖车的控制系统，包括信息采集模块2、信息处理模块1、模式选择模块和执行机构模块；\n[0022] 所述的信息采集模块2包括GPS定位传感器3、一对CCD图像传感器4、陀螺仪5、微波雷达传感器6、主驱动电机转速传感器7、副驱动电机转速传感器8和角位移传感器9，所述的GPS定位传感器3、一对CCD图像传感器4、陀螺仪5、微波雷达传感器6、主驱动电机转速传感器7、副驱动电机转速传感器8和角位移传感器9分别通过电线连接到信息处理模块1；其中，GPS定位传感器3用来获取无人三栖车的定位信息、确定无人三栖车的位置，CCD图像传感器4用来采集无人三栖车前方图像数据，陀螺仪5用来精确地确定运动车体的姿态，微波雷达传感器6用来检测影响无人三栖车行驶的前方障碍物，主驱动电机转速传感器7和副驱动电机转速传感器8分别用来获取主驱动电机转速信号和副驱动电机转速信号，角位移传感器9用来检测步进电机13的旋转角度；\n[0023] 所述的信息处理模块1包括嵌入式电控单元10，其作用是根据信息采集模块2获取的当前外部环境信息进行处理，与预装在嵌入式电控单元10里的地理信息数据结合，自主判断选择正确的模式，从而控制执行机构模块中的部件进行相应的动作；所述的外部环境信息包括无人三栖车的位置、姿态、前方道路图像、前方障碍物在车体坐标系中的位置；\n[0024] 所述的模式选择模块包括陆地模式控制器29、水上模式控制器11、飞行模式控制器12和六个电控离合器，其中，电控离合器A(27)控制陆地模式时驱动动力传递的通与断；\n电控离合器B(23)控制水上模式时驱动动力传递的通与断；电控离合器C(19)控制飞行模式时驱动动力传递的通与断；电控离合器D(25)控制陆地模式时转向动力传递的通与断；\n电控离合器E(20)控制水上模式时转向动力传递的通与断；电控离合器F(15)控制飞行模式时转向动力传递的通与断；陆地模式控制器29控制电控离合器A(27)和电控离合器D(25)的开与关；水上模式控制器11控制电控离合器B(23)和电控离合器E(20)的开与关；\n飞行模式控制器12控制电控离合器C(19)和电控离合器F(15)的开与关；模式选择模块的作用是根据信息处理模块1发送的指令控制三种模式控制器，从而控制相应的电控离合器的接合与分离，从而使无人三栖车切换到正确的模式中；\n[0025] 所述的执行机构模块由主驱动电机28、副驱动电机14和一个步进电机13组成；\n主驱动电机28既作为陆地模式时汽车驱动电机，也作为水上模式时螺旋桨22的驱动电机，还作为飞行模式时上旋翼18的驱动电机；副驱动电机14在飞行模式下只驱动下旋翼16；\n在陆地模式和水上模式时，步进电机13控制无人三栖车的转向，而在飞行模式时步进电机\n13控制无人三栖车的前进与后退。\n[0026] 图2是无人三栖车的控制系统流程图，其具体控制步骤如下：\n[0027] 步骤1，由信息采集模块2对当前无人三栖车周围环境和所处位置、姿态信息、前方障碍物在车体坐标系中的位置进行采集；\n[0028] 步骤2，由信息处理模块1对步骤1所获得的信息进行处理，与预装的地理信息数据结合，综合评判当前无人三栖车所处的环境，规划出前方道路的有效路径节点，然后无人三栖车按规划好的路径进行自主行驶，在行驶过程中，根据所处道路环境在不同的模式之间进行自主切换：\n[0029] (1)陆地模式：无人三栖车的主要运行模式。在这种模式下，嵌入式电控单元10给模式选择模块发送指令，模式选择模块接收到指令后，将同时接通电控离合器A(27)和电控离合器D(25)；然后，主驱动电机28通过电控离合器A(27)将动力传递给驱动轮26来驱动无人三栖车在陆地上行驶，步进电机13通过电控离合器D(25)与转向器24相连来改变无人三栖车在陆地上的行驶方向。在行驶的过程中，嵌入式电控单元10通过控制主驱动电机28的转速来控制无人三栖车在陆地上的速度。若主驱动电机28的转速增大，则无人三栖车在陆地上的车速也增大；若主驱动电机28的转速减小，则无人三栖车在陆地上的车速也减小；若主驱动电机28的转速不变，则无人三栖车在陆地上的车速保持不变。嵌入式电控单元10通过控制步进电机13的转角来改变无人三栖车在陆地上行驶的方向。若步进电机13逆时针偏转，则无人三栖车向左转向；若步进电机13顺时针偏转，则无人三栖车向右转向；若步进电机13不转，则无人三栖车直线行驶。如果在地理信息数据中前方路径为满足水上模式的水域，无人三栖车则进入水上模式，按照下述水上模式自主行驶；如果无人三栖车无法避让前方路径上遇到的障碍物，无人三栖车则进入下述的飞行模式；\n[0030] (2)水上模式：在这种模式下，嵌入式电控单元10给模式选择模块发送指令，模式选择模块接收到指令后，将同时接通电控离合器B(23)和电控离合器E(20)；然后，主驱动电机28通过电控离合器B(23)将动力传递给螺旋桨22来驱动无人三栖车在水上行驶，步进电机13通过电控离合器E(20)与舵21相连来改变无人三栖车在水上的行驶方向。在行驶的过程中，嵌入式电控单元10通过控制主驱动电机28的转速来控制无人三栖车在水上的行驶速度。若主驱动电机28的转速增大，则无人三栖车在水上的车速也增大；若主驱动电机28的转速减小，则无人三栖车在水上的车速也减小；若主驱动电机28的转速不变，则无人三栖车在水上匀速行驶。嵌入式电控单元10通过控制步进电机13的转角来改变无人三栖车在水上的行驶方向。若步进电机13逆时针偏转，则无人三栖车向左转向；若步进电机13顺时针偏转，则无人三栖车向右转向；若步进电机13不转，则无人三栖车直线行驶。\n如果到达岸边，无人三栖车自主切换到陆地模式。如果不能直接切换，无人三栖车则通过飞行模式过渡，由水上模式向陆地模式切换；然后，按照上述陆地模式自主行驶；\n[0031] (3)飞行模式：在上述两种模式下都无法行驶时才使用飞行模式。在这种模式下，嵌入式电控单元10给模式选择模块发送指令，模式选择模块接收到指令后，将同时接通电控离合器C(19)和电控离合器F(15)；然后，主驱动电机28通过电控离合器C(19)将动力传递给上旋翼18，步进电机13通过电控离合器F(15)与拉杆组件17相连来控制无人三栖车在空中的前进或后退；同时，嵌入式电控单元10也会控制副驱动电机14驱动下旋翼16转动。在飞行的过程中，嵌入式电控单元10分别控制主驱动电机28和副驱动电机14的转速，根据主驱动电机28和副驱动电机14的转速差来控制无人三栖车在空中的左转或右转。\n如果上旋翼18和下旋翼16不同速，若上旋翼18的转速n上大于下旋翼16的转速n下，则无人三栖车向左转向，若上旋翼18的转速n上小于下旋翼16的转速n下，则无人三栖车向右转向。如果上旋翼18的转速n上等于下旋翼16的转速n下，嵌入式电控单元10通过控制主驱动电机28和副驱动电机14以相同的转速变化来控制无人三栖车的上升或下降。若n上和n下同时增大，则无人三栖车向上行驶；若n上和n下同时减小，则无人三栖车向下行驶；若n上和n下保持不变，则无人三栖车保持水平。嵌入式电控单元10通过控制步进电机13的转角来控制拉杆组件17上下移动，从而控制旋翼的平面倾斜方向来控制无人三栖车在空中的前进或后退。若拉杆组件17向上移动，则无人三栖车在空中向前行驶；若拉杆组件17向下移动，则无人三栖车在空中向后行驶。当到达依据地理信息数据所规划的最近一个可降落路径节点后，无人三栖车降落；如果降落位置为陆地，按照上述陆地模式自主行驶；如果降落位置为水域，按照上述水上模式自主行驶。\n[0032] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。