專利名稱：極地漫游球形機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉機(jī)器人控制領(lǐng)域，特別是涉及一種應(yīng)用于極地環(huán)境的長時(shí)間長距離探測的極地漫游球形機(jī)器人。
背景技術(shù)：
極地環(huán)境是一個(gè)低溫、低光照和強(qiáng)風(fēng)環(huán)境，為了探索極地環(huán)境，機(jī)器人應(yīng)用受到關(guān)注。如何在極地環(huán)境下長時(shí)間自主運(yùn)行的機(jī)器人設(shè)計(jì)研究是一個(gè)實(shí)現(xiàn)難題，關(guān)鍵在于機(jī)器人能源的獲取方式和機(jī)器人的自主驅(qū)動(dòng)特性和環(huán)境適應(yīng)性等指標(biāo)。目前，球形機(jī)器人具有一定的野外適應(yīng)能力而獲得關(guān)注。然而，目前球形機(jī)器人的能源獲取和低溫保護(hù)等方面存在不足。中國發(fā)明專利ZL200810017895.4公開了“ 一種風(fēng)力驅(qū)動(dòng)具有多種運(yùn)動(dòng)方式的環(huán)境探測球形機(jī)器人”，該機(jī)器人完全采用風(fēng)力驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自由涌動(dòng)，但其運(yùn)動(dòng)無法受控，無法實(shí)現(xiàn)既定軌跡探測運(yùn)動(dòng)等需要，且內(nèi)部系統(tǒng)供電需要額外電源，這樣無法實(shí)現(xiàn)長距離長時(shí)間野外極地作業(yè)需要。中國發(fā)明專利ZL200810231786.2公開了一種“內(nèi)外驅(qū)動(dòng)兼?zhèn)涞那蛐螜C(jī)器人裝置”，該機(jī)器人可以采用風(fēng)力進(jìn)行外部驅(qū)動(dòng)，但其內(nèi)部驅(qū)動(dòng)的能源則采用太陽能發(fā)電方式，這樣對(duì)于極地應(yīng)用而言，由于日照不足，無法保證很好的內(nèi)部系統(tǒng)供電，且系統(tǒng)額外多了太陽能板等部件，系統(tǒng)復(fù)雜且限定了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，只能進(jìn)行簡單越障等運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向單一，無法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)能夠控制。中國實(shí)用新型專利ZL 200820032723.X公開了“全向運(yùn)動(dòng)球形機(jī)器人”，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)，但是采用內(nèi)部供電方式，當(dāng)內(nèi)部電源耗盡就無法繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種在極地低溫強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下長距離長時(shí)間自主運(yùn)行的機(jī)器人，以滿足極地探測需要。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是:本發(fā)明采用球形機(jī)構(gòu)，能夠比較好的適應(yīng)極地野外工作環(huán)境，采用兩個(gè)高效直流無刷電機(jī)作為球形機(jī)器人的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)兩個(gè)配重進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，同時(shí)采用了兩套獨(dú)立的具有電機(jī)驅(qū)動(dòng)和逆變功能的電路系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前后驅(qū)動(dòng)、差動(dòng)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等主動(dòng)控制，并實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在強(qiáng)風(fēng)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)情況下配重塊驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)采用逆變方式進(jìn)行發(fā)電，完成風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能功能和風(fēng)力驅(qū)動(dòng)條件下制動(dòng)控制的功能；
所采用兩套直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變系統(tǒng)獨(dú)立工作，可以根據(jù)環(huán)境和控制需要，分別獨(dú)立工作在驅(qū)動(dòng)和逆變等不同組合狀態(tài)，完成靈活的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)和節(jié)能控制的有效配合，實(shí)現(xiàn)能源利用最大化和滿足長距離極地探測的需要；
采用獨(dú)立的保溫系統(tǒng)，有效地結(jié)合在機(jī)器人內(nèi)部機(jī)構(gòu)構(gòu)架中，通過獲得電子系統(tǒng)的工作溫度情況判斷來智能控制電阻膜的供電加熱，以確保電子系統(tǒng)能夠正常工作在極地低溫環(huán)境中；
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種極地漫游球形機(jī)器人，包括:一個(gè)球形機(jī)器人機(jī)構(gòu)、主控制系統(tǒng)、高性能蓄電池、姿態(tài)傳感系統(tǒng)、任務(wù)傳感系統(tǒng)、衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)，其特征在于所述球形機(jī)器人機(jī)構(gòu)內(nèi)安裝和固定所述主控制系統(tǒng)、高性能蓄電池、姿態(tài)傳感系統(tǒng)、任務(wù)傳感系統(tǒng)和衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)，所述主控制系統(tǒng)與高性能蓄電池相連，完成系統(tǒng)供電和風(fēng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電管理功能；所述主控制系統(tǒng)與姿態(tài)傳感器相連，獲得機(jī)器人的當(dāng)前姿態(tài)信息；所述主控制系統(tǒng)與任務(wù)傳感系統(tǒng)相連，獲得當(dāng)前環(huán)境的溫度濕度信息和全球衛(wèi)星定位信息等；所述主控制系統(tǒng)與衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊和遠(yuǎn)程控制等功能；所述主控制系統(tǒng)與保溫系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)電子部件和電池的保溫控制，確保系統(tǒng)在低溫環(huán)境下正常運(yùn)行；所述主控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前后驅(qū)動(dòng)、差動(dòng)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等主動(dòng)控制，并實(shí)現(xiàn)在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)逆變發(fā)電儲(chǔ)能和制動(dòng)等控制。上述主控制系統(tǒng)，包含微處理控制器、兩個(gè)直流無刷電機(jī)、兩套直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)和逆變電路，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前后驅(qū)動(dòng)、差動(dòng)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等主動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)逆變發(fā)電儲(chǔ)能和制動(dòng)等控制。上述球形機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱球形結(jié)構(gòu)，完成機(jī)器人支架和本體外蓋保護(hù)等功能，內(nèi)部安裝和固定各種系統(tǒng)，該機(jī)構(gòu)包括螺釘、左右兩個(gè)電機(jī)固定板、左右兩個(gè)直流無刷電機(jī)、左右兩個(gè)電機(jī)輔助安裝板、螺母、左右兩個(gè)聯(lián)軸器、左右兩個(gè)轉(zhuǎn)軸、左右兩個(gè)配重支架、左右兩個(gè)軸承、左右兩個(gè)軸承座、左右兩個(gè)內(nèi)框支承架、高性能蓄電池、電阻膜、絕緣填充材料、控制系統(tǒng)、上下兩個(gè)半球殼、上下兩個(gè)內(nèi)框輔助板、任務(wù)系統(tǒng)、肋板和通訊系統(tǒng)；所述上半球殼和所述下半球殼相連，并通過螺釘固定；所述上內(nèi)框輔助板和所述上半球殼相連，并通過所述螺釘固定；所述下內(nèi)框輔助板和所述下半球殼相連，并通過所述螺釘固定；所述內(nèi)框支撐架與所述上內(nèi)框輔助板相連，并通過所述螺釘和所述螺母固定；所述內(nèi)框支撐架與所述下內(nèi)框輔助板相連，并通過所述螺釘和所述螺母固定；所述左直流無刷電機(jī)穿過所述內(nèi)框支撐架與所述左電機(jī)輔助安裝板相連，并由所述電機(jī)固定板和所述螺釘固定；所述左電機(jī)輔助安裝板與所述內(nèi)框支承架相連，并由所述螺釘和所述螺母固定；所述左電機(jī)和所述左轉(zhuǎn)軸相連，并由所述左聯(lián)軸器固定；所述左配重支架穿過所述左轉(zhuǎn)軸并由所述螺釘固定；所述左轉(zhuǎn)軸配合所述左軸承與所述左軸承座相連；所述左軸承座與所述內(nèi)框相連，并由所述螺釘固定；所述右電機(jī)穿過所述內(nèi)框與所述右電機(jī)輔助安裝板相連，并由所述右電機(jī)固定板和所述螺釘固定；所述右電機(jī)輔助安裝板與所述內(nèi)框支承架相連，并由所述螺釘和所述螺母固定；所述右電機(jī)和所述右轉(zhuǎn)軸相連，并由所述右聯(lián)軸器固定；所述右配重支架穿過所述右轉(zhuǎn)軸并由所述螺釘固定；所述右轉(zhuǎn)軸配合所述軸承與所右述軸承座相連；所述右軸承座與所述內(nèi)框支承架相連，并由所述螺釘固定；所述左配重支架內(nèi)裝入包裹所述電阻膜的所述電池，并在兩者之間填充所述絕緣材料；所述右配重支架內(nèi)裝入包裹所述電阻膜的所述控制系統(tǒng)，并在兩者之間填充所述絕緣材料；所述任務(wù)系統(tǒng)安裝在所述上半球殼頂端；所述通訊系統(tǒng)安裝在所述下半球殼底端。上述主控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu):一個(gè)微處理器經(jīng)左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)隔離電路分別連接左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)逆變橋電路、連接左右兩個(gè)電流檢測電路、經(jīng)左右兩個(gè)位置傳感電路連接左右兩個(gè)直流無刷電機(jī)、連接電源狀態(tài)檢測電路、保溫控制系統(tǒng)、復(fù)位電路和接口轉(zhuǎn)換電路，所述左右兩個(gè)檢測電路和左右兩個(gè)直流無刷電機(jī)分別連接左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)逆變橋電路，所述接口轉(zhuǎn)換電路連接姿態(tài)傳感系統(tǒng)、任務(wù)傳感系統(tǒng)和衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)；所述主控制系統(tǒng)用于控制直流無刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等控制，在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)逆變發(fā)電控制。上述任務(wù)傳感系統(tǒng)包含攝像器、全球定位系統(tǒng)和溫濕度傳感器等，用于獲得當(dāng)前環(huán)境的溫度濕度信息和全球衛(wèi)星定位信息等。上述保溫系統(tǒng)包括電阻膜、絕緣填充材料和電子溫度傳感器，通過獲得電子系統(tǒng)的工作溫度情況判斷來控制電阻膜的供電加熱，以確保電子系統(tǒng)能夠正常工作在極地低溫環(huán)境中。上述衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊，并可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的功能。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步:本發(fā)明采用兩套獨(dú)立驅(qū)動(dòng)逆變電路在微處理器的控制下可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前后驅(qū)動(dòng)、差動(dòng)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等主動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在強(qiáng)風(fēng)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)情況下進(jìn)行發(fā)電儲(chǔ)能和風(fēng)力驅(qū)動(dòng)條件下制動(dòng)控制的功能，具有驅(qū)動(dòng)和儲(chǔ)能同步，實(shí)現(xiàn)能源利用最大化，結(jié)合保溫系統(tǒng)，滿足極地強(qiáng)風(fēng)低溫環(huán)境下長距離自主運(yùn)行的需要。
圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的框圖。圖2是圖1示例中球形機(jī)器人機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖2中A-A處剖視放大圖)。圖4是圖1示例中主控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)框圖。圖5是圖1示例中主控制系統(tǒng)的程序流程框圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下:
實(shí)施例一:如圖1所示，本極地漫游球形機(jī)器人包括一個(gè)球形機(jī)器人機(jī)構(gòu)(101)、主控制系統(tǒng)(102)、高性能蓄電池(17)、姿態(tài)傳感系統(tǒng)(104)、任務(wù)傳感系統(tǒng)(105)、衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)(106)和保溫系統(tǒng)(107)，其特征在于所述球形機(jī)器人機(jī)構(gòu)(101)內(nèi)安裝和固定所述主控制系統(tǒng)(102)、高性能蓄電池(103)、姿態(tài)傳感系統(tǒng)(104)、任務(wù)傳感系統(tǒng)(105)和衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)(106)，所述王控制系統(tǒng)(102)與聞性能畜電池(17)相連，完成系統(tǒng)供電和風(fēng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電管理功能；所述主控制系統(tǒng)(102)與姿態(tài)傳感器(104)相連，獲得機(jī)器人的當(dāng)前姿態(tài)信息；所述主控制系統(tǒng)(102)與任務(wù)傳感系統(tǒng)(105)相連，獲得當(dāng)前環(huán)境的溫度濕度信息和全球衛(wèi)星定位信息等；所述主控制系統(tǒng)(102)與衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)(106)相連，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊和遠(yuǎn)程控制等功能；所述主控制系統(tǒng)(102)與保溫系統(tǒng)(107)相連，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)電子部件(20)和電池(17)的保溫控制，確保系統(tǒng)在低溫環(huán)境下正常運(yùn)行；所述主控制系統(tǒng)(102)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前后驅(qū)動(dòng)、差動(dòng)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等主動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)逆變發(fā)電和制動(dòng)等控制。實(shí)施例二:本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處在于:參見圖2,球形機(jī)器人機(jī)構(gòu)
(101)采用對(duì)稱球形結(jié)構(gòu)，完成機(jī)器人支架和本體外蓋保護(hù)等功能，內(nèi)部安裝和固定各種系統(tǒng)(102、103、104、105 和 106)，該機(jī)構(gòu)包括螺釘(la、lb、lc、ld、2a、2b、5a、5b、10a、10b、13a、13b、13c、13d、14、22)、左右兩個(gè)電機(jī)固定板(3a、3b)、左右兩個(gè)直流無刷電機(jī)(4a、4b)、左右兩個(gè)電機(jī)輔助安裝板(6a、6b)、螺母(7a、7b、25a、25b、25c、25d)、左右聯(lián)軸器(8a、8b)、左右轉(zhuǎn)軸(9a、9b)、左右配重支架(11a、lib)、左右軸承(12a、12b)、左右軸承座(15a、15b)、內(nèi)框支承架(16)、高性能蓄電池(17)、電阻膜(18)、絕緣填充材料(19)、電子系統(tǒng)(20)、上下兩個(gè)半球殼(21、23)、上下兩個(gè)內(nèi)框輔助板(24a、24b)、任務(wù)系統(tǒng)(26)、肋板(27)和通訊系統(tǒng)(28);所述上半球殼(21)和所述下半球殼(23)相連，并通過螺釘(22)固定；所述上內(nèi)框輔助板(24a)和所述上半球殼(21)相連，并通過所述螺釘(la、lb)固定；所述下內(nèi)框輔助板(24b)和所述下半球殼(23)相連，并通過所述螺釘(lc、ld)固定；所述內(nèi)框支撐架(16)與所述上內(nèi)框輔助板(24a)相連，并通過所述螺釘(13a、13b)和所述螺母(25a、25b)固定；所述內(nèi)框支撐架(16)與所述下內(nèi)框輔助板(24b)相連，并通過所述螺釘(13c、13d)和所述螺母(25c、25d)固定；所述左直流無刷電機(jī)(4a)穿過所述內(nèi)框支撐架(16)與所述左電機(jī)輔助安裝板(6a)相連，并由所述左電機(jī)固定板(3a)和所述螺釘(2a)固定；所述左電機(jī)輔助安裝板(6a)與所述內(nèi)框支承架(16)相連，并由所述螺釘(5a)和所述螺母(7a)固定；所述左電機(jī)(4a)和所述左轉(zhuǎn)軸(9a)相連，并由所述左聯(lián)軸器(8a)固定；所述左配重支架(Ila)穿過所述左轉(zhuǎn)軸(9a)并由所述螺釘(IOa)固定；所述左轉(zhuǎn)軸(9a)配合所述左軸承(12a)與所述左軸承座(15a)相連；所述左軸承座(15a)與所述內(nèi)框(16)相連，并由所述螺釘(14a)固定；所述右電機(jī)(4b)穿過所述內(nèi)框(16)與所述右電機(jī)輔助安裝板(6b)相連，并由所述右電機(jī)固定板(3b)和所述螺釘(2b)固定；所述右電機(jī)輔助安裝板(6b)與所述內(nèi)框支承架(16)相連，并由所述螺釘(5b)和所述螺母(7b)固定；所述右電機(jī)(4b)和所述右轉(zhuǎn)軸(9b)相連，并由所述右聯(lián)軸器(8b)固定；所述右配重支架(Ilb)穿過所述右轉(zhuǎn)軸(9b)并由所述螺釘(IOb)固定；所述右轉(zhuǎn)軸(9b)配合所述右軸承(12b)與所述右軸承座(15b)相連；所述右軸承座(15b)與所述內(nèi)框支承架(16)相連，并由所述螺釘(14b)固定；所述左配重支架(Ila)內(nèi)裝入包裹所述電阻膜(18)的所述電池(17)，并在兩者之間填充所述絕緣材料(19);所述右配重支架(Ilb)內(nèi)裝入包裹所述電阻膜(18)的所述電子系統(tǒng)(20)，并在兩者之間填充所述絕緣材料(19);所述任務(wù)系統(tǒng)(26)安裝在所述上半球殼(21)頂端；所述通訊系統(tǒng)(28)安裝在所述下半球殼(23 )底端。
實(shí)施例三:本實(shí)施例與實(shí)施例二基本相同，特別之處在于:參見圖3，所述主控制系統(tǒng)
(102)的結(jié)構(gòu):一個(gè)微處理器(301)經(jīng)左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)隔離電路(303a、303b)分別連接左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)逆變橋電路(302a、302b)、連接左右兩個(gè)電流檢測電路(304a、304b)、經(jīng)左右兩個(gè)位置傳感電路(305a、305b)連接左右兩個(gè)直流無刷電機(jī)(4a、4b)、連接電源狀態(tài)檢測電路(306 )、保溫控制系統(tǒng)(107 )、復(fù)位電路(307 )和接口轉(zhuǎn)換電路(308 )，所述左右兩個(gè)檢測電路(304a、304b)和左右兩個(gè)直流無刷電機(jī)(4a、4b)分別連接左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)逆變橋電路(302a、302b)，所述接口轉(zhuǎn)換電路(308)連接姿態(tài)傳感系統(tǒng)(104)、任務(wù)傳感系統(tǒng)(105)和衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)(106);所述主控制系統(tǒng)(102)用于控制直流無刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等控制，在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)逆變發(fā)電控制。
所述微處理器(301)采用美國TI公司的TMS320F28035微處理器，內(nèi)含模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角信息的模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得姿態(tài)角數(shù)值，具有PWM脈寬調(diào)制輸出控制功能、eCAN增強(qiáng)CAN總線和eQEP增強(qiáng)計(jì)數(shù)器等功能。所述微處理器(301)的PWM控制輸出信號(hào)分別與所述驅(qū)動(dòng)隔離電路(303a、303b)的控制輸入信號(hào)相連；所述微處理器(301)的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入分別與所述電流檢測電路(304a、304b)、所述電源狀態(tài)檢測電路(306)和所述保溫系統(tǒng)(107)等相連；所述微處理器(301)的eQEP計(jì)數(shù)器輸入分別與所述位置傳感電路(305a、305b)相連；所述微處理器(301)與所述接口轉(zhuǎn)換電路(308)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊和總線電平轉(zhuǎn)換等功能；所述微處理器(301)的復(fù)位信號(hào)XRS與上電復(fù)位電路(307)相連。所述驅(qū)動(dòng)逆變橋電路(302a)分別與所述高性能蓄電池(17)、所述驅(qū)動(dòng)隔離電路(303a)和所述直流無刷電機(jī)(4a)相連，所述驅(qū)動(dòng)逆變橋電路(302a)內(nèi)包括7個(gè)IGBT大功率管(VOa、Via、V2a、V3a、V4a、V5a 和 V6a)和與之配對(duì)的二極管(DOa、Dla、D2a、D3a、D4a、D5a和D6a)，其中六個(gè)IGBT大功率管(Via、V2a、V3a、V4a、V5a和V6a)和與之配對(duì)的二極管(Dla、D2a、D3a、D4a、D5a和D6a)組合完成了驅(qū)動(dòng)逆變橋，根據(jù)對(duì)這六個(gè)功率管的不同控制時(shí)序可以實(shí)現(xiàn)所述直流無刷電機(jī)(4a)的驅(qū)動(dòng)和逆變發(fā)電兩種功能；功率管VOa與二極管DOa用于實(shí)現(xiàn)電池的輸出供電和電池充電控制，可以完成在緊急情況和電池儲(chǔ)存電量不足情況下下關(guān)閉電池輸出等功能，可以有效完成所述驅(qū)動(dòng)逆變橋電路(302a)、所述驅(qū)動(dòng)逆變橋電路(302b)和所述高性能蓄電池(17)之間并聯(lián)隔離作用。所述驅(qū)動(dòng)逆變橋電路(302b)分別與所述高性能蓄電池(17)、所述驅(qū)動(dòng)隔離電路(303b)和所述直流無刷電機(jī)(4b)相連，所述驅(qū)動(dòng)逆變橋電路(302b)內(nèi)包括7個(gè)IGBT大功率管(VOb、Vlb、V2b、V3b、V4b、V5b 和 V6b)和與之配對(duì)的二極管(DOb、Dlb、D2b、D3b、D4b、D5b和D6b)，其中六個(gè)IGBT大功率管(Vlb、V2b、V3b、V4b、V5b和V6b)和與之配對(duì)的二極管(DIb、D2b、D3b、D4b、D5b和D6b)組合完成了驅(qū)動(dòng)逆變橋，根據(jù)對(duì)這六個(gè)功率管的不同控制時(shí)序可以實(shí)現(xiàn)所述直流無刷電機(jī)(4b)的驅(qū)動(dòng)和逆變發(fā)電兩種功能；功率管VOb與二極管DOb用于實(shí)現(xiàn)電池的輸出供電和電池充電控制，可以完成在緊急情況和電池儲(chǔ)存電量不足情況下下關(guān)閉電池輸出等功能，可以有效完成所述驅(qū)動(dòng)逆變橋電路(302a)、所述驅(qū)動(dòng)逆變橋電路(302b)和所述高性能蓄電池(17)之間并聯(lián)隔離作用。所述驅(qū)動(dòng)隔離電路(303a、303b)分別與所述驅(qū)動(dòng)逆變橋電路(302a、302b)，實(shí)現(xiàn)所述驅(qū)動(dòng)逆變橋電路(302a、302b)中IGBT功率管的控制驅(qū)動(dòng)和隔離。所述電流檢測電路(304a、304b)用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線上電流檢測功能，以作為故障診斷等功用。所述位置傳感電路(305a、305b)米用霍爾兀件布局于直流無刷電機(jī)中，用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置的檢測。所述接口轉(zhuǎn)換電路(308)與所述姿態(tài)傳感系統(tǒng)(104)、所述任務(wù)傳感系統(tǒng)(105)、所述衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)(106)，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊和總線電平轉(zhuǎn)換等功能。所述姿態(tài)傳感系統(tǒng)(104)采用MicroStrain公司的3DM-GX3姿態(tài)傳感系統(tǒng),用于獲得機(jī)器人六自由度的速度、加速信息和全球GPS定位信息等，為機(jī)器人控制系統(tǒng)提供姿態(tài)參考。所述任務(wù)傳感系統(tǒng)(105)包括施克激光掃描儀LMS221和便攜式氣象站W(wǎng)XT-520等，同于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所處環(huán)境的溫度、濕度和四周環(huán)境障礙物信息等。所述衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)(106)采用GPRS、銥星雙模通訊GPS終端RF8800L，用于實(shí)現(xiàn)全球GPS衛(wèi)星定位、GPRS數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信，完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊和遠(yuǎn)程控制等功倉泛。所述保溫系統(tǒng)(107)包括電阻膜(18)、絕緣填充材料(19)和電子溫度傳感器，通過獲得電子系統(tǒng)的工作溫度情況判斷來控制電阻膜(18)的供電加熱，以確保電子系統(tǒng)能夠正常工作在極地低溫環(huán)境中，其中所述電子溫度傳感器采用DS18b20實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集，與所述微處理器(301)相連提供溫度數(shù)據(jù)。
整個(gè)控制流程如圖4所示。具體過程如下:
(a)設(shè)備初始化；
(b)獲得當(dāng)前溫度、濕度、姿態(tài)、周邊環(huán)境信息和GPS信息；
(c)判斷系統(tǒng)工作溫度是否偏低，如果偏低則控制電阻膜供電實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)加熱；
Cd)判斷是否接收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)，如果有，則進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程控制；
Ce)判斷是否達(dá)到信息發(fā)送定時(shí)，如果是，則發(fā)送當(dāng)前溫度等信息；
(f)判斷是否到達(dá)逆變定時(shí)，如果是，則控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋全部關(guān)閉，讀取一段時(shí)間的姿態(tài)信息，通過速度和加速度信息進(jìn)行風(fēng)力預(yù)計(jì)算和判斷，并進(jìn)行電容量計(jì)算；
(g)判斷當(dāng)前風(fēng)力是否足夠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，則運(yùn)行風(fēng)力驅(qū)動(dòng)模式和電機(jī)逆變發(fā)電；
(h)在風(fēng)力不足情況下，如果電力足夠，則運(yùn)行電力驅(qū)動(dòng)模式，否則待機(jī)，進(jìn)入電力發(fā)電模式；
(i)前方障礙物判斷，如果存在風(fēng)險(xiǎn)，則運(yùn)行避障模式；
(j)自身狀態(tài)監(jiān)測，判斷是否存在故障，如果有，則通過衛(wèi)星發(fā)送當(dāng)前信息和故障信
息；
(k)返回(b)運(yùn)行。以上通過具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但這些并非構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可做出許多變形和改進(jìn)，這些也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種極地漫游球形機(jī)器人，包括:一個(gè)球形機(jī)器人機(jī)構(gòu)(101)、主控制系統(tǒng)(102)、高性能蓄電池(17)、姿態(tài)傳感系統(tǒng)(104)、任務(wù)傳感系統(tǒng)(105)、衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)(106)和保溫系統(tǒng)(107)，其特征在于所述球形機(jī)器人機(jī)構(gòu)(101)內(nèi)安裝和固定所述主控制系統(tǒng)(102)、高性能蓄電池(103)、姿態(tài)傳感系統(tǒng)(104)、任務(wù)傳感系統(tǒng)(105)和衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)(106)，所述主控制系統(tǒng)(102)與高性能蓄電池(17)相連，完成系統(tǒng)供電和風(fēng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電管理功能；所述主控制系統(tǒng)(102)與姿態(tài)傳感器(104)相連，獲得機(jī)器人的當(dāng)前姿態(tài)信息；所述主控制系統(tǒng)(102)與任務(wù)傳感系統(tǒng)(105)相連，獲得當(dāng)前環(huán)境的溫度濕度信息和環(huán)境障礙物信息；所述主控制系統(tǒng)(102)與衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)(106)相連，實(shí)現(xiàn)全球衛(wèi)星定位信息獲取和衛(wèi)星遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊和遠(yuǎn)程控制等功能；所述主控制系統(tǒng)(102)與保溫系統(tǒng)(107)相連，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)電子部件(102、104、105)和電池(17)的保溫控制，確保系統(tǒng)在低溫環(huán)境下正常運(yùn)行；所述主控制系統(tǒng)(102)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前后驅(qū)動(dòng)、差動(dòng)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)的主動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)逆變發(fā)電和制動(dòng)的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極地漫游球形機(jī)器人，其特征在于所述球形機(jī)器人機(jī)構(gòu)(101)采用對(duì)稱球形結(jié)構(gòu)，完成機(jī)器人支架和本體外蓋保護(hù)功能，內(nèi)部安裝和固定各種系統(tǒng)(102、103、104、105 和 106)，該機(jī)構(gòu)包括螺釘(la、lb、lc、ld、2a、2b、5a、5b、10a、10b、13a、13b、13c、13d、14、22)、左右兩個(gè)電機(jī)固定板(3a、3b)、左右兩個(gè)直流無刷電機(jī)(4a、4b)、左右兩個(gè)電機(jī)輔助安裝板(6a、6b)、螺母(7a、7b、25a、25b、25c、25d)、左右聯(lián)軸器(8a、8b)、左右轉(zhuǎn)軸(9a、9b)、左右配重支架(11a、lib)、左右軸承(12a、12b)、左右軸承座(15a、15b)、內(nèi)框支承架(16)、高性能蓄電池(17)、電阻膜(18)、絕緣填充材料(19)、電子系統(tǒng)(20)、上下兩個(gè)半球殼(21、23)、上下兩個(gè)內(nèi)框輔助板(24a、24b)、任務(wù)系統(tǒng)(26)、肋板(27)和通訊系統(tǒng)(28);所述上半球殼(21)和所述下半球殼(23)相連，并通過螺釘(22)固定；所述上內(nèi)框輔助板(24a)和所述上半球殼(21)相連，并通過所述螺釘(la、lb)固定；所述下內(nèi)框輔助板(24b)和所述下半球殼(23)相連，并通過所述螺釘(lc、ld)固定；所述內(nèi)框支撐架(16)與所述上內(nèi)框輔助板(24a)相連，并通過所述螺釘(13a、13b)和所述螺母(25a、25b)固定；所述內(nèi)框支撐架(16)與所述下 內(nèi)框輔助板(24b)相連，并通過所述螺釘(13c、13d)和所述螺母(25c、25d)固定；所述左直流無刷電機(jī)(4a)穿過所述內(nèi)框支撐架(16 )與所述左電機(jī)輔助安裝板(6a)相連，并由所述左電機(jī)固定板(3a)和所述螺釘(2a)固定；所述左電機(jī)輔助安裝板(6a)與所述內(nèi)框支承架(16)相連，并由所述螺釘(5a)和所述螺母(7a)固定；所述左電機(jī)(4a)和所述左轉(zhuǎn)軸(9a)相連，并由所述左聯(lián)軸器(8a)固定；所述左配重支架(I Ia)穿過所述左轉(zhuǎn)軸(9a)并由所述螺釘(IOa)固定；所述左轉(zhuǎn)軸(9a)配合所述左軸承(12a)與所述左軸承座(15a)相連；所述左軸承座(15a)與所述內(nèi)框(16)相連，并由所述螺釘(14a)固定；所述右電機(jī)(4b)穿過所述內(nèi)框(16)與所述右電機(jī)輔助安裝板(6b)相連，并由所述右電機(jī)固定板(3b)和所述螺釘(2b)固定；所述右電機(jī)輔助安裝板(6b)與所述內(nèi)框支承架(16)相連，并由所述螺釘(5b)和所述螺母(7b)固定；所述右電機(jī)(4b)和所述右轉(zhuǎn)軸(9b)相連，并由所述右聯(lián)軸器(8b)固定；所述右配重支架(Ilb)穿過所述右轉(zhuǎn)軸(9b)并由所述螺釘(IOb)固定；所述右轉(zhuǎn)軸(9b)配合所述右軸承(12b)與所述右軸承座(15b)相連；所述右軸承座(15b)與所述內(nèi)框支承架(16)相連，并由所述螺釘(14b)固定；所述左配重支架(Ila)內(nèi)裝入包裹所述電阻膜(18)的所述電池(17)，并在兩者之間填充所述絕緣材料(19);所述右配重支架(Ilb)內(nèi)裝入包裹所述電阻膜(18)的所述電子系統(tǒng)(20)，并在兩者之間填充所述絕緣材料(19);所述任務(wù)系統(tǒng)(26)安裝在所述上半球殼(21)頂端；所述通訊系統(tǒng)(28)安裝在所述下半球殼(23 )底端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的極地漫游球形機(jī)器人，其特征在于所述電子系統(tǒng)(20)為主控制系統(tǒng)(102)、任務(wù)傳感系統(tǒng)(105)和姿態(tài)傳感系統(tǒng)(104)的電子部件的合成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極地漫游球形機(jī)器人，其特征在于所述主控制系統(tǒng)(102)的結(jié)構(gòu):一個(gè)微處理器(301)經(jīng)左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)隔離電路(303a、303b)分別連接左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)逆變橋電路(302a、302b)、連接左右兩個(gè)電流檢測電路(304a、304b)、經(jīng)左右兩個(gè)位置傳感電路(305a、305b )連接左右兩個(gè)直流無刷電機(jī)(4a、4b)、連接電源狀態(tài)檢測電路(306 )、保溫控制系統(tǒng)(107)、復(fù)位電路(307)和接口轉(zhuǎn)換電路(308)，所述左右兩個(gè)檢測電路(304a、304b)和左右兩個(gè)直流無刷電機(jī)(4a、4b)分別連接左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)逆變橋電路(302a、302b)，所述接口轉(zhuǎn)換電路(308)連接姿態(tài)傳感系統(tǒng)(104)、任務(wù)傳感系統(tǒng)(105)和衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)(106);所述主控制系統(tǒng)(102)用于控制直流無刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等控制，在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)逆變發(fā)電控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極地 漫游球形機(jī)器人，其特征在于所述姿態(tài)傳感系統(tǒng)(104)獲得當(dāng)前機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能夠姿態(tài)信息和加速度信息，以便于判斷當(dāng)前機(jī)器人所處環(huán)境的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)情況和自身電機(jī)驅(qū)動(dòng)情況。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極地漫游球形機(jī)器人，其特征在于所述任務(wù)傳感系統(tǒng)(105)用于獲得當(dāng)前環(huán)境的溫度濕度信息和全球衛(wèi)星定位信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種極地漫游球形機(jī)器人。它包括一個(gè)球形機(jī)器人機(jī)構(gòu)、主控制系統(tǒng)、高性能蓄電池、姿態(tài)傳感系統(tǒng)、任務(wù)傳感系統(tǒng)、衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)與高性能蓄電池相連，完成系統(tǒng)供電和風(fēng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電管理功能，主控制系統(tǒng)與姿態(tài)傳感器相連，獲得機(jī)器人的當(dāng)前姿態(tài)信息，主控制系統(tǒng)與任務(wù)傳感系統(tǒng)相連，獲得當(dāng)前環(huán)境的溫度濕度信息和環(huán)境障礙物信息等，主控制系統(tǒng)與衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)全球衛(wèi)星定位信息獲取和衛(wèi)星遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊和遠(yuǎn)程控制等功能，主控制系統(tǒng)與保溫系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人電子部件和電池的保溫控制，確保系統(tǒng)在提問環(huán)境下正常運(yùn)行。本漫游球形機(jī)器人可廣泛適用于極地環(huán)境等條件下環(huán)境探測應(yīng)用。
文檔編號(hào)B64G1/16GK103144783SQ20131008886
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月11日
發(fā)明者唐智杰, 羅均, 謝少榮, 沈佳麗, 姚俊峰 申請(qǐng)人:上海大學(xué)