四轮独立驱动巡视器运动控制系统

1.四轮独立驱动巡视器运动控制系统，其特征在于：该系统为一种基于VxWorks系统和CAN总线技术的四轮独立驱动巡视器运动控制系统；该控制系统主要包括机械设计部分、控制核心模块、驱动电机控制模块、转向电机控制模块、通信模块以及各种辅助支撑模块；每个模块都包括硬件和软件两部分；硬件为系统工作提供实体基础，软件为系统提供各种算法控制；
机械设计部分包括：巡视器车厢(1)、车轮(2)、摇臂(3)、转向机构(4)、铰链(5)、摇臂与车体的连接装置(6)；其中，车厢(1)是巡视器搭载探测仪器设备的主要场所，其通过车体的连接装置(6)和摇臂(3)与巡视器固定在一起，形成一个完整的整体结构；车轮(2)与转向机构(4)相连，转向机构(4)的一端与车轮(2)相连接，另一端通过铰链(5)连接在摇臂(3)上，形成悬架—转向机构，使巡视器车体更好的适应地形的变化；摇臂(3)的前端通过摇臂与车体的连接装置(6)与巡视器车厢(1)相连，摇臂(3)的后端通过铰链(5)连接一个转向机构(4)；车轮(2)包含轮体(201)、轮毂(202)、减速机构(203)、制动器(204)、驱动电机(205)、方向电机(206)、与摇臂相连的法兰(207)、电机套法兰盘(208)；
驱动电机(205)通过轮毂(202)连接到轮体(201)，实现车轮(2)的前向驱动；轮毂(202)用于连接车轮(2)的轮圈，通过轮毂(202)的转动带动整个车轮(2)的转动；电机套法兰盘(208)和与摇臂相连的法兰(207)相啮合，从而将车轮(2)固定在摇臂(3)上，进而起到将车轮(2)与摇臂(3)之间的整体连接作用；方向电机(206)安装在车轮内部并与电机套法兰盘(208)相连接，方向电机206的转动从而实现轮体(201)的转向；
驱动电机(205)通过制动器(204)与减速机构(203)相连；驱动电机(205)控制车轮(2)的转速，实现巡视器的前进和后退，方向电机(206)控制巡视器车轮的转向角度，进而控制巡视器的运动的方向；制动器(204)用于驱动轮的制动；减速机构(203)用于降低电机输出轴的转速，同时提高输出扭矩；通过方向电机(206)的转向来实现整车的转向功能；通过摇臂(3)的控制实现整车的重心调整，维持车体的平衡，保证车厢(1)内探测仪器的正常工作；
四个车轮都是独立驱动和转向的，以保证巡视器以任意角度转弯包括原地360度旋转；摇臂(3)的作用是提高了巡视器地面的适应能力和越障能力，当巡视器前轮越障时，通过摇臂调整车体重心，使前轮爬升；同理，当后轮越障时，通过摇臂调节使后轮爬升；在崎岖路面上，摇臂(3)能够自动调节车体重心，保持车体平稳；当车体以一定的水平速度与障碍接触时，摇臂在车体主动力T及摇臂杆支撑反力Fs′的共同作用下产生响应，摇臂机构末端作用点O在一定的时间内累积起足够的水平方向的位移，从而产生在竖直方向的耦合运动，提升车轮跨越障碍；车体运行速度 和车轮角速度 作为重要的外部激励，其数值的增大可以使摇臂机构在更短的时间内积累起水平方向所需要的位移，提高巡视器的越障能力，但速度过快的情况下会造成由碰撞引起的反弹，影响巡视器的越障，故需要控制车体运动速度在一定合理范围内；所述驱动电机(205)和方向电机(206)均采用高精度无刷直流电机，实现精确的角度和速度控制；
控制核心模块采用上下位机结构；上位机是PC机，装有集成开发环境Tornado完成控制命令的输入和更改，下位机包含主处理器模块、无线通信模块、运动控制器和编码器组成；
其中，主处理器模块为中央控制单元，其功能是根据不同状况发送任务，与运动控制模块、上位PC机通信，接收上位PC机的指令并执行，分析编码器获得的车轮信息，并将整理后获得的数据发送到上位PC机；无线通信模块采用基于TCP/IP协议的以太网技术传输数据信息，是上位机和下位机数据通信的媒介；作用是接收上位机发送的控制信息，同时向上位机上传巡视器车轮位置、速度信息，实现上位机对于巡视器的实时操作；运动控制器包括驱动电机控制器和方向电机控制器，每个车轮都有一个驱动电机控制器和一个方向电机控制器，分别控制驱动电机(205)和方向电机(206)；编码器包含在电机里，每个电机都包含一个编码器，用于检测车轮角度和速度信息；
驱动电机模块和转向电机模块；电机模块采用的直流无刷电机，控制巡视器的运动；电机控制器选用与选用电机配套的控制器，控制器带有CAN接口，可以直接挂载在CAN总线网络中；电机模块都安装在车轮内部，避免沙尘进入影响电机的性能和寿命；
通信模块；为提高巡视器实时性和通信效率，采用嵌入式实时系统VxWorks系统作为巡视器的控制系统，工控机PC104作为系统的处理器，现场总线CAN总线作为整个系统的通信总线；整个系统结构简单紧凑，控制方便；嵌入式实时系统VxWorks系统可以有效的提高系统的实时性，保证巡视器运行稳定；CAN总线具有极高的可靠性、实时性和灵活性，可以满足巡视器各个机构之间的数据通信并保证通信质量，布线简单仅有两根线，带有CAN接口的电机直接挂载在CAN总线上就可以了；为匹配阻抗，在CAN总线两端分别加载120欧的电阻，CAN总线的最高通信速率可达1Mbps；
辅助支撑模块泛指对巡视器自身的运动没有直接影响，但为了保证系统的可靠性以及增强系统功能而设计的附加模块，包括巡视器故障诊断模块，LCD数据显示模块和调试辅助模块。
2.根据权利要求1所述的四轮独立驱动巡视器运动控制系统，其特征在于：当巡视器在崎岖的路面上运动时，巡视器会根据路面情况的变化自动调整摇臂(3)的角度，使巡视器更好的适应路面情况的变化，保持巡视器车厢(1)内的探测仪器的平稳工作；
巡视器系统由上位机和下位机组成，其中上位机为PC机，下位机为各个控制模块；上下位机采用基于TCP/IP协议的无线通信技术进行通信，功能是接收上位PC机发送的控制信息，同时向上位PC机上传巡视器的车轮位置、速度信息，实现上位PC机对巡视器的实时操作；上位机运行的是嵌入式实时系统VxWorks系统集成开发环境Tornado，通过集成开发环境Tornado可以方便的输入控制命令，更好的对巡视器进行控制操作；下位机的主处理器模块采用PC104工控机，搭配MSM CAN板卡，PC104工控机载有Pentium Ⅲ处理器，配有高实时性的VxWorks操作系统，下位机通过CAN总线把各个机构连接在一起，成为一个整体；上位机可以方便的把命令通过处理器模块传达到下位机的每一个机构，下位机也可以把角度、速度等反馈信息方便的上传到处理器模块处理然后上传到上位机；通过嵌入式实时系统VxWorks和CAN现场总线相结合的方式，提高了系统的反应速度也提高了系统通信的实时性，进而提高了系统的稳定性和可靠性。
3.根据权利要求1所述的四轮独立驱动巡视器运动控制系统，其特征在于：当上电初始化系统后，通过车轮所带编码器获得车轮当前的初始信息，上传到处理器对巡视器车轮进行分析调整；然后，在上位机控制程序界面输入所期望的车体运动速度和方向，通过上下位机间基于TCP/IP协议的无线通信模块把控制命令发送到下位机主处理器，下位机通过CAN总线把控制命令发送到各个节点，相应节点的电机控制器接收命令后，驱动所接电机转动，通过控制算法和巡视器运动学模型对各个电机不断进行速度和角度修正，以实现对输入期望的速度和角度的跟踪；同时电机附带的霍尔传感器可获取车轮旋转速度和方向电机摆角，并上传上位机，上位机实时获取电机速度和方向摆角的实时数据信息。
4.根据权利要求1所述的四轮独立驱动巡视器运动控制系统，其特征在于：电机轴的输出转速较高，经过减速机构减速后，其转速降低，同时其输出扭矩增大，这样巡视器的移动速度就得到提升，巡视器的越障能力及驱动性能也得到提高；当控制电机运转时，通过控制电机的输出转速和扭矩，控制电机的转动方向和速率，进而控制车轮的转动方向和车轮的转动速度；四轮独立驱动巡视器在嵌入式实时系统VxWorks和CAN现场总线的控制下，实现如下操作：
(1)前进、后退：当控制命令控制驱动电机运转时，驱动电机的运转带动四轮的前进或后退，在摇臂和转向机构的共同作用下带动车体的移动，实现巡视器的向前、向后移动；
(2)爬坡、越障：当巡视器运动过程中遇到路面崎岖或者障碍物时，通过各个电机的协调工作和巡视器机械机构的变换，可以帮助巡视器完成爬坡和越障任务；使巡视器更好的适应地面环境变化，完成科学考察任务；
(2)转向：当控制命令控制转向电机运动时，多个转向电机的协调工作可以完成巡视器的转向任务；巡视器独特的车轮设计可以使巡视器以任意半径转向包含原地旋转；
(3)静止：不论是要求巡视器静止在平地上还是斜坡上，都可以通过驱动轮上的制动装置可以实现巡视器静止在平地上或者斜坡上。

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