[發明專利]一種可折展重構變輪距全地形小車及其控制方法

有效

• 申請號: 202110649558.2
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN113335417B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發明（設計）人: 陳光榮;馬銘;武昱;盧華風;王向陽;鮑俊宇;楊新華;曲福杰;韋文哲;郭盛
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: B62D61/10
• 分類號: B62D61/10;B62D21/14;B62D57/02
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 楊帥峰;岳東升

1.一種可折展重構變輪距全地形小車，其特征在于：其總體結構由姿態調節組件(1)、驅動輪組件(2)、底部支撐板(3-1)、頂部支撐板(3-2)和第一、第二被動輪組件(4-1、4-2)構成；

其中，底部支撐板(3-1)由第二主板(12-2)、第二和第四側板(11-2、11-4)組成；頂部支撐板(3-2)由第一主板(12-1)、第一和第三側板(11-1、11-3)組成；姿態調節組件(1)固定在底部支撐板(3-1)的第二主板(12-2)上，第一、第二被動輪組件(4-1、4-2)分別安裝在底部支撐板(3-1)的第二、第四側板上(11-2、11-4)；姿態調節組件(1)的車橫軸(6)兩側分別穿過第一、第二被動輪組件(4-1、4-2)的第一、第二連接座(16-1、16-2)，并與之固定連接，同時與第一、第二被動輪組件(4-1、4-2)的第一、第二被動輪(17-1、17-2)通過轉動副連接；通過控制姿態調節組件(1)中的車體姿態控制電機(7)實現底部支撐板(3-1)的第二主板(12-2)與第二、第四側板(11-2、11-4)之間的夾角可調，即小車的可折展重構變輪距功能，以適應各種地形環境；驅動輪組件(2)的第一和第四輪組件(5-1、5-4)分別安裝在底部支撐板(3-1)的第二、第四側板上(11-2、11-4)，它的第二和第三輪組件(5-2、5-3)安裝在底部支撐板(3-1)的第二主板(12-2)上，在初始狀態下，即底部支撐板(3-1)的第二主板(12-2)與第二、第四側板(11-2、11-4)在同一平面上時，第一、第二、第三和第四輪組件(5-1、5-2、5-3、5-4)的主動輪(19)同軸線，此時，驅動輪組件(2)與第一、第二被動輪組件(4-1、4-2)分列于小車兩端；頂部支撐板(3-2)與底部支撐板(3-1)將小車其余部件夾在中部，起到保護作用。

2.一種控制方法，用于如權利要求1所述的可折展重構變輪距全地形小車，其特征在于：其控制架構由姿態感知模塊、輪距/夾角控制模塊、轉向控制模塊和四輪速度協同控制模塊組成；

其中，姿態感知模塊由第一、第二主板(12-1、12-2)的姿態和第一、第二、第三和第四側板(11-1、11-2、11-3、11-4)的姿態組成，第一、第二主板(12-1、12-2)的姿態(α₁,β₁,γ₁)由安裝在第二主板(12-2)上的姿態傳感器測得，第一、第二、第三和第四側板(11-1、11-2、11-3、11-4)的姿態(α₂,β₂,γ₂)由安裝在第一側板(11-1)上的姿態傳感器測得，從而小車的整體橫滾姿態角為整體偏航姿態角為整體俯仰姿態角由β₁,β₂共同決定，為

θ＝π+β₁-β₂

其中，l₁,l₂分別為第二、第三輪組件(5-2、5-3)和第一、第四輪組件(5-1、5-4)與第一、第二被動輪組件(4-1、4-2)的輪距；θ為第一、第二、第三和第四側板(11-1、11-2、11-3、11-4)與第一、第二主板(12-1、12-2)的夾角；D為第二、第三輪組件(5-2、5-3)與第一、第四輪組件(5-1、5-4)的輪距；

輪距/夾角控制模塊在姿態感知基礎上進行，已知期望的輪距D_d，可計算的期望的夾角得到期望的夾角后，結合姿態感知模塊中測量的實際夾角設計控制器，控制姿態調節組件(1)中的車體姿態控制電機(7)，即可實現小車的輪距/夾角控制；

轉向控制模塊中，已知期望的和實際偏航角分別為γ_d,γ，由于小車沒有轉向機構，只可以通過四輪差速轉向，且小車輪距越小轉彎越快，則可設計小車轉向控制器為

e_γ＝γ-γ_d

其中，k_Pi(D),k_Ii(D),k_Di(D),i＝1,2,3,4為轉向控制器中的比例、積分、微分控制參數，當i＝1,2時，k_Pi(D),k_Ii(D),k_Di(D)≥0，當i＝3,4時，k_Pi(D),k_Ii(D),k_Di(D)≤0，且|k_Pi(D)|,|k_Ii(D)|,|k_Di(D)|,i＝1,2,3,4與輪距D的大小成正比，保證轉向控制的均勻變化；

四輪速度協同控制模塊中，已知小車的整體期望和實際速度分別為v_d,v，行走軌跡的曲率半徑為R，可分解到第一、第二、第三和第四輪組件(5-1、5-2、5-3、5-4)的期望速度分別為當k＝-1時，代表左轉，當k＝1時，代表右轉；同時可知，第一、第二、第三和第四輪組件(5-1、5-2、5-3、5-4)的實際速度分別為v₁,v₂,v₃,v₄，各輪組件的實際速度與期望速度的差值大小并不一致，為了保證四輪驅動的協同控制，設計四輪速度協同控制器為

其中，v′_id,i＝1,2,3,4是為了協同控制產生的新的各輪組件的期望速度，c₁為整體速度協同因子，c₂為自身期望速度跟蹤因子，c₁越大速度協同越快，c₂越大速度跟蹤自身期望速度就越快。