一種零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架及其控制方法。該零輸入載人月球主動(dòng)懸架在傳統(tǒng)主動(dòng)懸架基礎(chǔ)上增加了主動(dòng)控制系統(tǒng)，所述主動(dòng)控制系統(tǒng)包括滾珠絲杠托架、兩個(gè)滑軌、滾珠絲杠螺母、滾珠絲杠桿和電機(jī)；同時(shí)通過(guò)判斷主動(dòng)控制系統(tǒng)所處狀態(tài)并更新相應(yīng)狀態(tài)下主動(dòng)控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)能量來(lái)實(shí)現(xiàn)該載人月球車(chē)無(wú)需額外外部輸入能量，解決載人月球車(chē)對(duì)能源利用率要求高以及整車(chē)平順性好的需求。
【專利說(shuō)明】一種零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于載人月球車(chē)控制領(lǐng)域，更具體地說(shuō)為一種載人月球車(chē)主動(dòng)懸架及其控 制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 懸架系統(tǒng)作為載人月球車(chē)移動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，必須具有良好的平順性，良 好的適應(yīng)地形能力以及越障能力。其性能直接影響著月球探測(cè)車(chē)移動(dòng)系統(tǒng)的通過(guò)性能、平 穩(wěn)性能、工作效能及可靠性。因此懸架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成為月球探測(cè)車(chē)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。迄 今為止，俄、美、歐、日等國(guó)已經(jīng)研制出各種類(lèi)型的懸架機(jī)構(gòu)，均在一定程度上提高了月球探 測(cè)車(chē)的移動(dòng)性能。但目前登月的載人月球車(chē)均是被動(dòng)懸架，從登月宇航員登月反饋情況可 知，由于月球車(chē)引力是地球的1/6及月面道路條件惡劣，宇航員感受乘坐舒適性非常差，另 外月球車(chē)的平順性差對(duì)精密的探測(cè)儀器測(cè)量及其使用壽命有非常大的影響。
[0003] -般的主動(dòng)懸架雖可根據(jù)行駛狀態(tài)和路面狀況實(shí)時(shí)的輸出主動(dòng)控制力以獲得更 好的行駛平順性，但其需要在懸架中加裝外界動(dòng)力源和主動(dòng)作動(dòng)輸出裝置造成懸架結(jié)構(gòu)復(fù) 雜且消耗大量的外部能量。半主動(dòng)懸架是將被動(dòng)懸架中阻尼值不變的減震器改造成為阻尼 值實(shí)時(shí)可調(diào)的阻尼元件，但其阻尼元件消耗能量且性能較主動(dòng)懸架差。在當(dāng)前登月活動(dòng)所 攜帶的能源十分有限，即使可利用太陽(yáng)能但大部分能量需要保障載人月球車(chē)各系統(tǒng)部件的 正常工作，使用有限能量實(shí)現(xiàn)更多功能對(duì)于載人月球車(chē)具有重大的意義?；诖藨?yīng)用背景 可知以上各種懸架很難滿足載人月球車(chē)的高性能要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種可以克服現(xiàn)有載人月球車(chē)懸架平順性能較差缺陷的零輸入載 人月球車(chē)主動(dòng)懸架。
[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明一種零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架，包括下擺臂、上擺 臂、兩個(gè)阻尼彈簧減震器、兩個(gè)擺桿、第一連接件和第二連接件，所述第一連接件用于連接 主動(dòng)懸架與車(chē)輪，所述第二連接件用于連接主動(dòng)懸架與車(chē)架，其中，所述上擺臂的一端與第 一連接件活動(dòng)連接，另一端分別與兩個(gè)擺桿的一端活動(dòng)連接，且上擺臂運(yùn)動(dòng)時(shí)牽引兩個(gè)擺 桿同步運(yùn)動(dòng)；所述下擺臂的一端與第一連接件活動(dòng)連接，另一端與第二連接件活動(dòng)連接，
[0006] 還包括主動(dòng)控制系統(tǒng)，所述主動(dòng)控制系統(tǒng)包括滾珠絲杠托架、兩個(gè)滑軌、滾珠絲杠 螺母、滾珠絲杠桿和電機(jī)，兩個(gè)滑軌平行固定于第二連接件上且兩個(gè)滑軌上對(duì)稱設(shè)置固定 基座；
[0007] 滾珠絲杠托架的兩端分別設(shè)置在兩根滑軌上并能夠沿滑軌滑動(dòng)，滾珠絲杠托架的 中部固連滾珠絲杠螺母的上端，滾珠絲杠螺母的下端與滾珠絲杠桿的上端相連，滾珠絲杠 桿的下端與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，電機(jī)設(shè)置于車(chē)架上，所述電機(jī)為儲(chǔ)能電機(jī)；
[0008] 兩個(gè)阻尼彈簧減震器的一端分別與兩個(gè)擺桿的一端活動(dòng)連接，另一端分別與兩個(gè) 固定基座活動(dòng)連接；兩個(gè)擺桿的另一端分別與滾珠絲杠托架的兩端活動(dòng)連接。
[0009] 進(jìn)一步地優(yōu)選方案，本發(fā)明零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架中，所述上擺臂的形狀為Η 型，其中，Η型上擺臂的兩個(gè)縱臂中部向下延伸方向?qū)ΨQ設(shè)有支點(diǎn)，兩個(gè)支點(diǎn)均鉸接在第二 連接件的頂端作為一對(duì)活動(dòng)支點(diǎn)，Η型上擺臂的兩個(gè)縱臂的一端均與第一連接件相鉸接，另 一端分別與兩個(gè)擺桿的一端相鉸接；
[0010] 進(jìn)一步地優(yōu)選方案，本發(fā)明零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架中，所述下擺臂為Η型下 擺臂。
[0011] 進(jìn)一步地優(yōu)選方案，本發(fā)明零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架中，滾珠絲杠托架為"幾" 字形托架。
[0012] 進(jìn)一步地優(yōu)選方案，本發(fā)明零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架中，所述活動(dòng)連接均采用 鉸鏈方式連接。
[0013] 進(jìn)一步地優(yōu)選方案，本發(fā)明零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架中，兩個(gè)滑軌的下端對(duì)稱 設(shè)置固定基座。
[0014] 同時(shí)為了克服主動(dòng)懸架需要額外外部輸入能量的缺陷，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)懸架零輸入控 制，本發(fā)明還提供了一種載人月球車(chē)主動(dòng)懸架控制方法。
[0015] 一種載人月球車(chē)主動(dòng)懸架控制方法，具體包括以下步驟：
[0016] 步驟1、使用天棚阻尼控制法則確定理想主動(dòng)控制輸入力

【權(quán)利要求】
1. 一種零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架，包括下擺臂、上擺臂、兩個(gè)阻尼彈簧減震器、兩個(gè) 擺桿、第一連接件和第二連接件，所述第一連接件用于連接主動(dòng)懸架與車(chē)輪，所述第二連接 件用于連接主動(dòng)懸架與車(chē)架，其中，所述上擺臂的一端與第一連接件活動(dòng)連接，另一端分別 與兩個(gè)擺桿的一端活動(dòng)連接，且上擺臂運(yùn)動(dòng)時(shí)牽引兩個(gè)擺桿同步運(yùn)動(dòng)；所述下擺臂的一端 與第一連接件活動(dòng)連接，另一端與第二連接件活動(dòng)連接，其特征在于，還包括主動(dòng)控制系 統(tǒng)，所述主動(dòng)控制系統(tǒng)包括滾珠絲杠托架、兩個(gè)滑軌、滾珠絲杠螺母、滾珠絲杠桿和電機(jī)，兩 個(gè)滑軌平行固定于第二連接件上且兩個(gè)滑軌上對(duì)稱設(shè)置固定基座； 滾珠絲杠托架的兩端分別設(shè)置在兩根滑軌上并能夠沿滑軌滑動(dòng)，滾珠絲杠托架的中部 固連滾珠絲杠螺母的上端，滾珠絲杠螺母的下端與滾珠絲杠桿的上端相連，滾珠絲杠桿的 下端與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，電機(jī)設(shè)置于車(chē)架上，所述電機(jī)為儲(chǔ)能電機(jī)； 兩個(gè)阻尼彈簧減震器的一端分別與兩個(gè)擺桿的一端活動(dòng)連接，另一端分別與兩個(gè)固定 基座活動(dòng)連接；兩個(gè)擺桿的另一端分別與滾珠絲杠托架的兩端活動(dòng)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架，其特征在于，所述上擺臂的形 狀為Η型，其中，Η型上擺臂的兩個(gè)縱臂中部向下延伸方向?qū)ΨQ設(shè)有支點(diǎn)，兩個(gè)支點(diǎn)均鉸接 在第二連接件的頂端作為一對(duì)活動(dòng)支點(diǎn)，Η型上擺臂的兩個(gè)縱臂的一端均與第一連接件相 鉸接，另一端分別與兩個(gè)擺桿的一端相鉸接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架，其特征在于，所述下擺臂為Η型 下擺臂。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架，其特征在于，滾珠絲杠托架為 "幾"字形托架。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架，其特征在于，所述活動(dòng)連接均 采用鉸鏈方式連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架，其特征在于，兩個(gè)滑軌的下端 對(duì)稱設(shè)置固定基座。
7. -種權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架的控制方法，其特征 在于，具體包括以下步驟： 步驟1、使用天棚阻尼控制法則確定理想主動(dòng)控制輸入力為天 棚阻尼系數(shù)，4為阻尼彈簧減震器兩端之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；
步驟2 :利用步驟1中獲得的理想主動(dòng)控制輸入力/^\計(jì)算電機(jī)理想輸出扭矩Tdes和 理想輸出電流Ides ;
式中，為滾珠絲杠桿的導(dǎo)程常數(shù)，kt為電機(jī)的扭矩常數(shù)； 步驟3 :利用步驟2中獲得的電機(jī)理想輸出電流Ides，計(jì)算出電流誤差Λ I，Λ I = Ides-I 然后計(jì)算出電機(jī)兩端理想作用電壓Vdes ;
式中，KP為比例常數(shù)，&為積分常數(shù)，/為積分符號(hào)，dt為積分步長(zhǎng)，I為電機(jī)實(shí)時(shí)輸出 電流； 步驟4 :通過(guò)電機(jī)理想輸出電流Ides與電機(jī)兩端理想作用電壓Vdes計(jì)算出主動(dòng)控制系統(tǒng) 理想瞬時(shí)輸出功率Pdes，Pdes = Vdes · Ides ; 步驟5、根據(jù)主動(dòng)控制系統(tǒng)理想瞬時(shí)輸出功率Pdes符號(hào)來(lái)判斷主動(dòng)控制系統(tǒng)所處狀態(tài) 并更新相應(yīng)狀態(tài)下主動(dòng)控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)能量； 若Pdes>〇則判定主動(dòng)控制系統(tǒng)為存儲(chǔ)能量狀態(tài)，將電機(jī)兩端端電壓V設(shè)定為理想作用 電壓Vdes，更新主動(dòng)控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)能量，將瞬時(shí)能量Es加上系統(tǒng)原剩余能量作為主動(dòng)控制 系統(tǒng)新的存儲(chǔ)能量，其中，E s = V · I · ΛΤ，ΛΤ為主動(dòng)控制系統(tǒng)更新一次的時(shí)間步長(zhǎng)，執(zhí)行 步驟6 ; 若Pdes〈〇則判定主動(dòng)控制系統(tǒng)為輸出能量狀態(tài)，此時(shí)，判斷當(dāng)前主動(dòng)控制系統(tǒng)存儲(chǔ)能量 是否大于允許輸出能量的預(yù)設(shè)下閾值Emin，如果大于預(yù)設(shè)下閾值Emin則允許主動(dòng)控制系統(tǒng)輸 出能量，將電機(jī)系統(tǒng)兩端端電壓V設(shè)定為理想電壓V des，更新主動(dòng)控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)能量，將 瞬時(shí)能量ES加上系統(tǒng)原剩余能量作為主動(dòng)控制系統(tǒng)新的存儲(chǔ)能量，其中，E s = V · I · ΛΤ， ΛΤ為主動(dòng)控制系統(tǒng)更新一次的時(shí)間步長(zhǎng)，執(zhí)行步驟6 ;否則將電機(jī)兩端端電壓V設(shè)定為零， 主動(dòng)控制系統(tǒng)存儲(chǔ)能量不變，執(zhí)行步驟6 ; 步驟6 :實(shí)時(shí)跟蹤零輸入載人月球車(chē)主動(dòng)懸架的運(yùn)動(dòng)，重復(fù)循環(huán)執(zhí)行步驟1-5,實(shí)現(xiàn)懸 架零輸入主動(dòng)控制的功能。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述控制方法，其特征在于，步驟1中天棚阻尼系數(shù)ksky為以主動(dòng)控 制系統(tǒng)存儲(chǔ)能量E為函數(shù)的表達(dá)式，該表達(dá)式具有二階光滑特性；
Eth為系統(tǒng)存儲(chǔ)能量的預(yù)設(shè)上閾值，δ為最大天棚阻尼系數(shù)； 利用下式聯(lián)立求解出天棚阻尼系數(shù)ksky表達(dá)式中的ai，a2, a3, a4, a5, a6六個(gè)系數(shù)
【文檔編號(hào)】B60G17/015GK104097481SQ201410324414
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】江星星, 李舜酩, 張曉露, 周東旺, 程春 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)