[发明专利]一种可折展重构变轮距全地形小车及其控制方法

权利要求书

1.一种可折展重构变轮距全地形小车，其特征在于：其总体结构由姿态调节组件(1)、驱动轮组件(2)、底部支撑板(3-1)、顶部支撑板(3-2)和第一、第二被动轮组件(4-1、4-2)构成；

其中，底部支撑板(3-1)由第二主板(12-2)、第二和第四侧板(11-2、11-4)组成；顶部支撑板(3-2)由第一主板(12-1)、第一和第三侧板(11-1、11-3)组成；姿态调节组件(1)固定在底部支撑板(3-1)的第二主板(12-2)上，第一、第二被动轮组件(4-1、4-2)分别安装在底部支撑板(3-1)的第二、第四侧板上(11-2、11-4)；姿态调节组件(1)的车横轴(6)两侧分别穿过第一、第二被动轮组件(4-1、4-2)的第一、第二连接座(16-1、16-2)，并与之固定连接，同时与第一、第二被动轮组件(4-1、4-2)的第一、第二被动轮(17-1、17-2)通过转动副连接；通过控制姿态调节组件(1)中的车体姿态控制电机(7)实现底部支撑板(3-1)的第二主板(12-2)与第二、第四侧板(11-2、11-4)之间的夹角可调，即小车的可折展重构变轮距功能，以适应各种地形环境；驱动轮组件(2)的第一和第四轮组件(5-1、5-4)分别安装在底部支撑板(3-1)的第二、第四侧板上(11-2、11-4)，它的第二和第三轮组件(5-2、5-3)安装在底部支撑板(3-1)的第二主板(12-2)上，在初始状态下，即底部支撑板(3-1)的第二主板(12-2)与第二、第四侧板(11-2、11-4)在同一平面上时，第一、第二、第三和第四轮组件(5-1、5-2、5-3、5-4)的主动轮(19)同轴线，此时，驱动轮组件(2)与第一、第二被动轮组件(4-1、4-2)分列于小车两端；顶部支撑板(3-2)与底部支撑板(3-1)将小车其余部件夹在中部，起到保护作用。

2.一种控制方法，用于如权利要求1所述的可折展重构变轮距全地形小车，其特征在于：其控制架构由姿态感知模块、轮距/夹角控制模块、转向控制模块和四轮速度协同控制模块组成；

其中，姿态感知模块由第一、第二主板(12-1、12-2)的姿态和第一、第二、第三和第四侧板(11-1、11-2、11-3、11-4)的姿态组成，第一、第二主板(12-1、12-2)的姿态(α₁,β₁,γ₁)由安装在第二主板(12-2)上的姿态传感器测得，第一、第二、第三和第四侧板(11-1、11-2、11-3、11-4)的姿态(α₂,β₂,γ₂)由安装在第一侧板(11-1)上的姿态传感器测得，从而小车的整体横滚姿态角为整体偏航姿态角为整体俯仰姿态角由β₁,β₂共同决定，为

θ＝π+β₁-β₂

其中，l₁,l₂分别为第二、第三轮组件(5-2、5-3)和第一、第四轮组件(5-1、5-4)与第一、第二被动轮组件(4-1、4-2)的轮距；θ为第一、第二、第三和第四侧板(11-1、11-2、11-3、11-4)与第一、第二主板(12-1、12-2)的夹角；D为第二、第三轮组件(5-2、5-3)与第一、第四轮组件(5-1、5-4)的轮距；

轮距/夹角控制模块在姿态感知基础上进行，已知期望的轮距D_d，可计算的期望的夹角得到期望的夹角后，结合姿态感知模块中测量的实际夹角设计控制器，控制姿态调节组件(1)中的车体姿态控制电机(7)，即可实现小车的轮距/夹角控制；

转向控制模块中，已知期望的和实际偏航角分别为γ_d,γ，由于小车没有转向机构，只可以通过四轮差速转向，且小车轮距越小转弯越快，则可设计小车转向控制器为

e_γ＝γ-γ_d

其中，k_Pi(D),k_Ii(D),k_Di(D),i＝1,2,3,4为转向控制器中的比例、积分、微分控制参数，当i＝1,2时，k_Pi(D),k_Ii(D),k_Di(D)≥0，当i＝3,4时，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与轮距D的大小成正比，保证转向控制的均匀变化；

四轮速度协同控制模块中，已知小车的整体期望和实际速度分别为v_d,v，行走轨迹的曲率半径为R，可分解到第一、第二、第三和第四轮组件(5-1、5-2、5-3、5-4)的期望速度分别为当k＝-1时，代表左转，当k＝1时，代表右转；同时可知，第一、第二、第三和第四轮组件(5-1、5-2、5-3、5-4)的实际速度分别为v₁,v₂,v₃,v₄，各轮组件的实际速度与期望速度的差值大小并不一致，为了保证四轮驱动的协同控制，设计四轮速度协同控制器为

其中，v′_id,i＝1,2,3,4是为了协同控制产生的新的各轮组件的期望速度，c₁为整体速度协同因子，c₂为自身期望速度跟踪因子，c₁越大速度协同越快，c₂越大速度跟踪自身期望速度就越快。