[發明專利]一種極地翼帆風力直接驅動機器人控制系統

在審

• 申請號: 201410810358.0
• 申請日: 2014-12-24
• 公開（公告）號: CN104536446A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 謝少榮;沈天昊;陳繼清;張凱;馮凱;羅均;李恒宇
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，特別是涉及一種極地翼帆風力直接驅動機器人控制系統。

背景技術

極地蘊藏著巨量的自然、科學資源。一方面，極地冰雪覆蓋區作為地球系統的最大冷源，其環境要素的變化對全球氣候變化起著關鍵作用；另一方面，極地資源的開發利用在政治、經濟等方面具有無可比擬的戰略意。然而，極區環境惡劣，高寒低氧、極端天氣等，隨時都可能威脅科考人員的生命，極大地制約著人類科學考察活動的開展，相對于1400萬平方公里的南極大陸來說，科考人員的活動范圍還是非常有限的，人類涉足的區域只占極小的一部分。如何在更寬廣的時間、空間領域實現科學考察，已經成為迫切需要解決的技術難題。而極地探測機器人作為人的“代理”，成為解決這一技術難題的一種思路。利用極地探測機器人，突破極地環境對于科考的時空限制，降低極地科考風險，擴大作業范圍，引起了技術強國的廣泛關注，“機器人化”極地科考成為一個重要發展方向。怎樣才能充分利用好南極豐富的風力資源，使極地探測機器人在極區環境中具有長時間、大范圍探測的續航能力就是解決問題的一個重要途徑。

翼帆機器人是一種通過控制翼帆攻角來獲得推動力的一種新穎的移動式機器人。其擁有較好的運動自主性、姿態航向可控性和風能利用率。傳統的風帆多為軟式布帆，而經對比研究軟式布帆和剛性翼帆，后者的空氣動力性能更優，軟式布帆在風比較大時更易傾翻。國內外除了對翼帆機器人機械結構的研究，其控制系統的研究也成為了關注的熱點。

翼帆機器人由于較好的運動自主性和風能利用效率得到了關注。其航向與速度的強耦合，攻角、迎風角受南極自然環境里時變的風速風向、冰雪面雪波紋、風吹雪等影響，是自主控制必須克服的難點問題。機器人的安全性也是自主控制部分的重要研究內容，包括：避障避危、抗傾翻等。然而，目前翼帆機器人控制系統在航向姿態控制和防傾翻等方面存在不足。

發明內容

本發明的目的在于針對以上問題，提出一種極地翼帆風力直接驅動機器人控制系統，能滿足在極地復雜多變的氣候條件下控制機器人實現長時間長距離的基地探測要求。

為了達到上述目的，本發明的構思是：

?軌跡規劃器的作用是根據科考任務設計出探測機器人的目標軌跡指令，并把該指令傳送給導航控制單元。導航控制單元根據目標軌跡、GPS提供的軌跡反饋和激光測距機反饋的障礙信息、探地雷達反饋的冰裂縫信息，給出探測機器人的目標航向指令，并把指令傳送給航向控制單元，由航向驅動器調整探測機器人的航向。

針對翼帆攻角、迎風角受南極自然環境里時變的風速風向、冰雪面雪波紋、風吹雪等影響，為簡化控制，擬采用以下控制策略：巡航時，由翼帆控制單元根據風速風向儀反饋的風速風向信息、姿態參考系統（IMU）反饋探測機器人姿態信息、編碼器反饋翼帆位置信息，自動保持恒定攻角，航向控制單元單獨控制航向，使之保持在期望的目標航向。

在南極環境里，障礙物、冰縫都是探測機器人的安全威脅，機載激光測距機、探地雷達等傳感器檢測到危險后，航向控制子系統應及時改變航向，翼帆控制單元調節攻角、控制速????度，避開障礙或危險。

對于抗傾翻問題，當風速風向變化較小時，將風速風向儀的實測值進行一定周期（在試驗中找到合適值）的平滑濾波，再反饋給翼帆控制單元，實現穩定控制；如果風速過大，極易導致傾翻，應立即采取安全保護策略，使對稱式翼帆的攻角為0，將翼帆迎風面減至最小，避免傾翻危險。

????根據上述發明構思，本發明采用下屬技術方案：

一種極地翼帆風力直接驅動機器人控制系統，包括軌跡規劃系統，導航控制系統，避障避危系統和微處理器；所述的軌跡規劃系統分別與導航控制系統和微處理器連接，根據科考任務對整個翼帆機器人的目標軌跡路徑進行規劃；所述的避障避危系統分別與導航控制系統和微處理器連接，通過傳感器元件探測實時的路況，反饋給翼帆機器人進行避障避危；導航控制系統分別與軌跡規劃系統，避障避危系統，GPS單元和微處理器連接，并分別通過電機和舵機控制翼帆機器人的翼帆單元和航向控制單元。

優選地，所述的軌跡規劃系統，是根據科考任務設計出探測機器人的目標軌跡指令，并把該指令傳送給導航控制單元。

優選地，所述的避障避危系統包括激光測距機和探地雷達，其中激光測距機和探地雷達都與微處理器連接，進行實時的信息交互控制反饋。