一种可翻转的轮毂电机驱动无人驾驶月球车及其控制方法

摘要

本发明提供一种可翻转的轮毂电机驱动无人驾驶月球车，包括月球车本体，该月球车本体包括电子控制单元ECU、底盘以及安装在底盘上的探测-采样设备，所述底盘的后端通过后轴安装从动后轮，而底盘的前端则通过前轴左、右两侧分别安装一个驱动前轮；同时提供其控制方法，电子控制单元ECU根据激光传感器、角度传感器、转速传感器以及扭矩传感器所反馈的信息，实现自动控制翻转电机、各轮毂电机的运作，其实现了在复杂路况下的顺利行驶和探测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无人探测月球车系统，特别是涉及一种轮毂电机驱动、能够实现差速转向和越障翻转的无人探测月球车系统。

背景技术

对于月面环境，无人月球车需要适应各种地貌，多灰尘，近真空等复杂苛刻条件，这样对探测车的轻质化，高冗余和越障性能有较高的要求。当前国内外车辆普遍采用由发动机输出转矩经过传动装置及差速机构实现输出，然而需要传动及差速机构使车辆机械结构异常复杂，冗余度较低，越障性能不理想。

发明内容

本发明的目的：为了完成复杂环境下的探测任务，本发明提出一种可翻转的轮毂电机驱动无人驾驶月球车及控制方法，以实现在复杂路况下的顺利行驶和探测。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种可翻转的轮毂电机驱动无人驾驶月球车，包括月球车本体，该月球车本体包括电子控制单元ECU、底盘以及安装在底盘上的探测-采样设备，所述底盘的后端通过后轴安装从动后轮，而底盘的前端则通过前轴左、右两侧分别安装一个驱动前轮，所述驱动前轮包括三角形履带轮，该三角形履带轮包括三角架以及履带，所述三角架的中心通过前轴安装在底盘的前端，且三角架沿中心呈辐射状均布三个悬臂，各悬臂均通过电机轴定位安装有一个轮毂电机，所述轮毂电机包括配合使用的内定子和外转子，内定子固定安装在电机轴上，而外转子通过轮毂与履带联动连接；所述前轴配置翻转机构，该翻转机构包括翻转电机以及相互啮合的一组齿轮传动机构，所述齿轮传动机构包括主动齿轮和从动齿轮，翻转电机固定安装在底盘，且翻转电机的输出端与主动齿轮连接，而从动齿轮定位安装在前轴上；所述的从动齿轮上安装角度传感器，各三角形履带轮上均安装有扭矩传感器以及转速传感器，所述月球车本体的前端安装用于检测坡道信息的激光传感器；电子控制单元ECU根据激光传感器、角度传感器、转速传感器以及扭矩传感器所反馈的信息，自动控制翻转电机、各轮毂电机的运作。

所述翻转电机通过翻转电机固定架安装在底盘。

所述前轴配置悬架减振机构，该悬架减振机构包括悬架以及减振器，减振器通过悬架安装到前轴。

所述减振器包括导向座，该导向座的两端分别开设端部敞口设置的容纳腔，各容纳腔均配置一根压缩杆，该压缩杆与容纳腔之间设置弹簧，且压缩杆通过悬架与前轴连接。

所述悬架包括上桥、下桥，所述导向座一端的压缩杆通过上桥与前轴连接，而另一端的压缩杆则通过下桥与前轴连接。

本发明的另一技术目的是提供一种上述的可翻转的轮毂电机驱动无人驾驶月球车的控制方法，电子控制单元ECU根据激光传感器、角度传感器、转速传感器以及扭矩传感器所反馈的信息，按照以下方式自动控制翻转电机、各轮毂电机的运作：a、电子控制单元ECU根据激光传感器所反馈的信息，判断出月球车本体在平路行驶时，电子控制单元ECU控制三角形履带轮中任一个轮毂电机为驱动电机，驱动履带带动整车前进，余下的两个轮毂电机为发电机，为蓄电池进行充电；b、电子控制单元ECU根据激光传感器所反馈的信息，判断月球车本体在上坡时，电子控制单元ECU控制三角形履带轮中的任意两个轮毂电机为驱动电机，同时驱动履带带动整车前进，余下的那个轮毂电机为发电机，为蓄电池进行充电；c、电子控制单元ECU根据激光传感器所反馈的信息，判断月球车本体在下坡或者缓速制动时，电子控制单元ECU控制三角形履带轮中任一个轮毂电机为驱动电机，驱动履带带动整车前进，余下的两个轮毂电机为发电机，为蓄电池进行充电； d、电子控制单元ECU根据扭矩传感器所反馈的扭矩信号，判断出月球车本体遇到需要翻转才能跨越的障碍时，启动翻转电机，直至角度传感器所反馈的信号表达翻转机构驱动前轴旋转，促使三角形履带轮翻转的角度达到预设阈值，制停翻转电机； f、电子控制单元ECU根据转速传感器所反馈信号，判断出此刻的驱动电机处于故障时，制停该处于故障状态的驱动电机，启动翻转电机，直至所述的处于故障状态的驱动电机处于底盘最上方，此刻启动余下任意一个轮毂电机。

根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的优点：

1、该无人月球车由于采用了由轮毂电机驱动的三角框架履带车轮，辅以能实现车轮翻转的电机，从而在各种复杂路况下，能够实现“无障碍”通过。

2、该月球车由前轮驱动，其差速转向更好地提高了汽车的转向灵活性。在较大障碍物面前，靠着翻转电机提供的输出扭矩带动履带车轮整体翻转的方式，爬过障碍物，提高了月球车适应险峻路面的能力。

3、应用轮毂电机直接驱动驱动和差速转向，不仅能够简化底盘结构，电机既可驱动又可转向，而且还可以实现制动能量回收，提高了经济性和转向的灵活性。

附图说明

图1是本发明所述轮毂电机驱动的三角形履带轮结构示意图；

图2是本发明所述轮毂电机侧视剖面结构示意图；

图3是本发明所述轮毂电机后视剖面示意图；

图4是本发明所述单节履带的结构示意图；

图5是本发明所述整车主视结构示意图；

图6是本发明所述翻转机构结构示意图；

图7是本发明所述悬架系统结构示意图；

图8是本发明所述减振器结构示意图；

图9是本发明所述整车左视结构示意图；

图10是本发明所述八种工作模式示意图；

图中：1为三角架；2为轮毂；3为轮毂电机外转子；4为轮毂电机轴；5为轮毂电机内定子；6为履带与轮毂的连接；7为磁铁；8为履带；9为轮毂与轮毂电机外转子的连接；10为三角架固定套；11为轴承；12为轴承端盖；13为翻转机构；14为悬架系统；15、17为一对相互啮合的齿轮；16为实现翻转的电机；18为减振器；19为固定悬架系统的上桥；20为固定悬架系统的下桥；21为导向座；22为弹簧；23为压缩杆；24为360°自由后轮；25为探测及采集设备；26为前轴；27为翻转电机固定架；28为底盘。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1至9所示，本发明所述的可翻转的轮毂电机驱动无人驾驶月球车，包括月球车本体，该月球车本体包括电子控制单元ECU、底盘以及安装在底盘上的探测-采样设备，所述底盘的后端通过后轴安装从动后轮，而底盘的前端则通过前轴左、右两侧分别安装一个驱动前轮，所述驱动前轮包括三角形履带轮，该三角形履带轮包括三角架以及履带，所述三角架的中心通过前轴安装在底盘的前端，且三角架沿中心呈辐射状均布三个悬臂，各悬臂均通过电机轴定位安装有一个轮毂电机，所述轮毂电机包括配合使用的内定子和外转子，内定子固定安装在电机轴上，而外转子通过轮毂与履带联动连接；如图6所示，所述前轴配置翻转机构，该翻转机构包括翻转电机以及相互啮合的一组齿轮传动机构，所述齿轮传动机构包括主动齿轮和从动齿轮，翻转电机固定安装在底盘，且翻转电机的输出端与主动齿轮连接，而从动齿轮定位安装在前轴上；所述的从动齿轮上安装角度传感器，各三角形履带轮上均安装有扭矩传感器以及转速传感器，所述月球车本体的前端安装用于检测坡道信息的激光传感器；电子控制单元ECU根据激光传感器、角度传感器、转速传感器以及扭矩传感器所反馈的信息，自动控制翻转电机、各轮毂电机的运作。

所述翻转电机通过翻转电机固定架安装在底盘。

本发明所述前轴配置悬架减振机构，该悬架减振机构包括悬架以及减振器，减振器通过悬架安装到前轴；如图7所示，所述悬架包括上桥、下桥，所述导向座一端的压缩杆通过上桥与前轴连接，而另一端的压缩杆则通过下桥与前轴连接；如图8所示，所述减振器包括导向座，该导向座的两端分别开设端部敞口设置的容纳腔，各容纳腔均配置一根压缩杆，该压缩杆与容纳腔之间设置弹簧，且压缩杆通过悬架与前轴连接。

如图10所示，电子控制单元ECU根据激光传感器、角度传感器、转速传感器以及扭矩传感器所反馈的信息，按照以下方式自动控制翻转电机、各轮毂电机的运作：a、电子控制单元ECU根据激光传感器所反馈的信息，判断出月球车本体在平路行驶时，电子控制单元ECU控制三角形履带轮中任一个轮毂电机为驱动电机，驱动履带带动整车前进，余下的两个轮毂电机为发电机，为蓄电池进行充电；b、电子控制单元ECU根据激光传感器所反馈的信息，判断月球车本体在上坡时，电子控制单元ECU控制三角形履带轮中的任意两个轮毂电机为驱动电机，同时驱动履带带动整车前进，余下的那个轮毂电机为发电机，为蓄电池进行充电；c、电子控制单元ECU根据激光传感器所反馈的信息，判断月球车本体在下坡或者缓速制动时，电子控制单元ECU控制三角形履带轮中任一个轮毂电机为驱动电机，驱动履带带动整车前进，余下的两个轮毂电机为发电机，为蓄电池进行充电； d、电子控制单元ECU根据扭矩传感器所反馈的扭矩信号，判断出月球车本体遇到需要翻转才能跨越的障碍时，启动翻转电机，直至角度传感器所反馈的信号表达翻转机构驱动前轴旋转，促使三角形履带轮翻转的角度达到预设阈值，制停翻转电机； f、电子控制单元ECU根据转速传感器所反馈信号，判断出此刻的驱动电机处于故障时，制停该处于故障状态的驱动电机，启动翻转电机，直至所述的处于故障状态的驱动电机处于底盘最上方，此刻启动余下任意一个轮毂电机。

通俗地说，本发明中，在平路行驶时，两个三角形履带前轮分别由前一个轮毂电机驱动履带使整车前进；上坡时，两个三角形履带前轮各由两个轮毂电机同时驱动履带使整车前进，保证动力性；下坡或者缓速制动时，两个轮毂电机实现制动能量回收，以改善经济性；如需主动转弯时，电子控制单元ECU传递两个信号分别给左右车轮的轮毂电机，实现转速差完成差速转向，从动后轮自动跟随到合适方向；遇到无法通过的路段，电子控制单元ECU传递两个信号分别给左右车轮的轮毂电机，实现转速差完成差速转向，从动后轮自动跟随到合适方向；在遇到障碍的情况下，扭矩传感器获得扭矩信号，传递给电子控制单元ECU，电子控制单元ECU根据这个扭矩信号，判断是否需要启动翻转电机，如需启动翻转电机，电子控制单元ECU发送给翻转电机一个控制信号，完成翻转并由角度传感器返回一个角度信号给电子控制单元ECU，当翻转到达最高点时，使翻转电机停止工作，依靠惯性完成翻转，悬架减震系统防止发生刚性冲击；月球车收到地面信号需要探测采样时， 电子控制单元ECU给采集设备采样信号，进行月岩采样；如一个轮毂电机故障时，电子控制单元ECU给翻转电机一个信号进行翻转将故障电机翻至最上方，由备用电机驱动。