一种四轮行星车移动系统技术方案

本发明专利技术涉及一种四轮行星车移动系统，由上位机和下位机组成。上位机为PC机，采用无线方式与所述下位机通信。下位机由移动子系统、下位机控制模块和CAN总线系统组成。移动子系统包括4个车轮，4个转向机构，4个摇臂，4个摇臂与车体的连接装置，4个铰链，一个横轴以及一个行星车车厢。本发明专利技术所述四轮行星车的每个车轮内部都安装有一个驱动电机和一个方向电机，可实现行星车前进、后退、360度原地旋转和绕任意转弯半径进行转向；驱动电机和方向电机均置于车轮内部，防止灰尘进入，提高了行星车电机工作的可靠性。本发明专利技术使用工业级CAN总线构成分布式多轴驱动系统，使行星车具有极高的可靠性和实时性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种四轮行星车移动系统，由上位机和下位机组成。上位机为PC机，采用无线方式与所述下位机通信。下位机由移动子系统、下位机控制模块和CAN总线系统组成。移动子系统包括4个车轮，4个转向机构，4个摇臂，4个摇臂与车体的连接装置，4个铰链，一个横轴以及一个行星车车厢。本专利技术所述四轮行星车的每个车轮内部都安装有一个驱动电机和一个方向电机，可实现行星车前进、后退、360度原地旋转和绕任意转弯半径进行转向；驱动电机和方向电机均置于车轮内部，防止灰尘进入，提高了行星车电机工作的可靠性。本专利技术使用工业级CAN总线构成分布式多轴驱动系统，使行星车具有极高的可靠性和实时性。【专利说明】一种四轮行星车移动系统
本专利技术属于机器人自动化领域，涉及一种新型四轮行星车的分布式驱动结构。
技术介绍
随着现代科技的进步，人类的探索步伐已经延伸到了地外星球。行星车是人类用来进行无人星际探索，探测地外行星物质的有利武器。目前已经应用或即将应用于深空探测工程的行星车以六轮机器人系统为主，结构相对比较复杂，导致体积和质量庞大，影响了可靠性和灵活性。四轮行星车比传统的六轮行星车结构更简单、轻便，降低了功耗，提高了机动性。申请号为200910172652.2的专利公开了一种月球车结构，车体采用八角形设置，车体下部采用四套轮臂、车轮的正四角形主动仿形机构分布。该设计使用了 4个转臂电机、4个转向电机，4个驱动电机和4个升降电机。虽提高了月球车的平稳性和地形适应性，但是除驱动电机外的其他电机均置于裸露环境中，由于月球复杂的地貌，月尘大量聚集月面，使得电机工作的可靠性受到了极大挑战。因此减少电机个数并将电机置于车轮内部密闭空间是提升行星车在恶劣环境中可靠工作的新思路。
技术实现思路
针对现有四轮行星车电机裸露在恶劣环境中可能引起可靠性降低的缺陷，本专利技术公开了一种新型四轮行星车移动系统，采用结构简单、紧凑的机构，将电机置于车轮内部密闭空间，能适应在恶劣环境下作业。一种四轮行星车移动系统，由上位机和下位机组成。其中，上位机为PC机，采用无线方式与下位机通信；下位机由移动子系统、下位机控制模块和CAN总线系统组成。移动子系统包括:四个车轮2，四个转向机构4，四个摇臂3，四个摇臂与车体的连接装置6，四个铰链5，一个横轴7以及一个行星车车厢I。其中，车轮2采用中空式刚性轮，四个车轮为独立驱动。每个车轮包括:一个轮体201，一个轮毂202, —套减速机构203, —个制动器204, —个驱动电机205, —个方向电机206,一个与摇臂相连的法兰207和一个电机套法兰盘208。其中，驱动电机205和方向电机206均采用高精度无刷直流电机，实现精确的位置和速度控制。驱动电机205输出转速和扭矩，通过控制其转速和扭矩控制车轮的转速和扭矩，通过控制其正反转来实现整车的前进与后退。方向电机206输出转动位置，通过控制其转动角度控制车轮的转动角度，通过控制其正反转来实现整车的转向。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。电机套法兰盘208和与摇臂相连的法兰207齿合，从而将车轮固定在摇臂3上，起到车轮2与摇臂3之间的连接作用。轮毂202用于连接轮圈，通过轮毂202的转动带动整个车轮2的转动。转向机构4 一端铰接在摇臂3上，另一端则与车轮电机套法兰盘208相连。通过方向电机206的正反转来实现整车的转向功能。摇臂3的前端通过摇臂与车体的连接装置6与行星车车厢I相连，摇臂3的后端通过铰链5连接一个转向机构4。通过摇臂3的控制可以实现整车的重心调整，维持车体的平衡，实现运动的最优化。摇臂与车体的连接装置6安装于车体上，用于实现移动子系统与车体之间的连接。横轴7安装于车体中心，用于摇臂与车体的连接装置6的安装与固定。行星车车厢I置于横轴7之上，并与横轴7组成上部车体，用于搭载仪器设备。整车移动系统车厢由一根横轴7支持，另有四个摇臂3保证车厢的稳定性。行星车总重50kg，车轮采用刚性轮，车轮直径W=300mm，车轮宽度b=150mm，正常行驶车速为v=60m/ho行星车可实现直线前进和后退运动，圆弧运动和圆周转动功能。下位机控制模块由主处理器模块、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，是上位PC机和主处理器模块之间数据通信的接口。作用是接收上位PC机发送的控制信息，同时向上位PC机上传行星车车轮位置、速度信息，实现上位PC机对于行星车的实时操作。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206和方向电机208。编码器是采用CAN接口的绝对编码器，每个车轮都安装一个编码器，用于检测车轮的初始角度信息。CAN总线系统用于传输信号，实现分布式多轴运动控制。CAN总线具有极高的可靠性、实时性和灵活性，可以满足行星车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信并保证通信质量。下位机控制模块仅使用两根屏蔽双绞线传输差分信号，将所有外围器件挂接在这两根总线上即可传输数据，即四个驱动电机控制器，四个方向电机控制器和四个编码器挂接在总线上，可靠高效地实现数据传输，其最高通信速率可达1Mbps。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点:(I)本专利技术所述行星车采用四轮驱动，结构紧凑，左右对称，质量轻便。行星车主车体由一根横轴支持，使得车体工作平台姿态平衡稳定，重力在各轮上均匀分配，使电机发挥最大驱动效率；(2)本专利技术四轮行星车的每个车轮内部都安装有一个驱动电机和一个方向电机，使每个车轮都能发挥驱动轮和方向轮的作用。这种结构设计使行星车运行灵活，可实现行星车前进、后退、360度原地旋转和绕任意转弯半径进行转向；驱动电机和方向电机均置于车轮内部，防止灰尘进入，提高了行星车电机工作的可靠性。而现有技术大部分行星车的一个车轮仅有一种功能，或者仅作为驱动轮使车体前进、后退，或者仅作为方向轮转变车体方向，且电机置于裸露环境，电机运行中的风险较大。(3)使用工业级CAN总线构成分布式多轴驱动系统，使行星车具有极高的可靠性和实时性。一般的编码器数据传输接口采用RS485，RS422，SSI协议或Biss协议。而该编码器数据传输采用CAN接口，将编码器作为CAN设备挂接在CAN总线上，可以提高数据传输的准确性和可靠性。【专利附图】【附图说明】图1是四轮行星车移动系统组成框图；图2是移动子系统结构简图，图中:I一行星车车厢，2—车轮，3—摇臂，4一转向机构，5—铰链，6—摇臂与车体的连接装置，7—横轴；图3是车轮组成不意图，图中:201—轮体,202—轮穀,203—减速机构，204—制动器，205—驱动电机，206—方向电机，207—与摇臂相连的法兰，208—电机套法兰盘；图4是分布式多轴运动控制系统框架图；图5是本专利技术中行星车驱动控制流程图。【具体实施方式】以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。图1示出了本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四轮行星车移动系统，由上位机和下位机组成；所述上位机为PC机，采用无线方式与所述下位机通信；所述下位机由移动子系统、下位机控制模块和CAN总线系统组成；其特征在于：所述移动子系统包括：一个行星车车厢（1），四个车轮（2），四个摇臂（3），四个转向机构（4），，四个铰链（5），四个摇臂与车体的连接装置（6）以及一个横轴（7）；其中，所述车轮（2）采用中空式刚性轮，四个车轮为独立驱动；所述转向机构（4）一端铰接在所述摇臂（3）上，另一端则与车轮电机套法兰盘（208）相连；通过方向电机（206）的正反转来实现整车的转向功能；所述摇臂（3）的前端通过所述摇臂与车体的连接装置（6）与所述行星车车厢（1）相连，所述摇臂（3）的后端通过所述铰链（5）连接一个转向机构（4）；通过所述摇臂（3）的控制实现整车的重心调整，维持车体平衡，实现运动的最优化；所述摇臂与车体的连接装置（6）安装于车体上，用于实现移动子系统与车体之间的连接；所述横轴（7）安装于车体中心，用于所述摇臂与车体的连接装置（6）的安装与固定；所述行星车车厢（1）置于所述横轴（7）之上，并与所述横轴（7）组成上部车体，用于搭载仪器设备；所述下位机控制模块由主处理器模块、无线通信模块、运动控制器和编码器组成；所述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（206）和方向电机（208）；所述编码器是采用CAN接口的绝对编码器，每个车轮都安装一个编码器，用于检测车轮的初始角度信息；所述CAN总线系统用于传输信号，实现分布式多轴运动控制。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：居鹤华，赵东畅，詹伟，张良坪，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：