CN108706060A - 智能爬楼车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能爬楼车的技术和方法。是利用传感器、推拉杆等技术，采用计算机控制的方法实现车体上下楼梯。智能爬楼车除被控对象车体外，主要由感知部分、控制部分和执行部分组成。其中感知部分由测距传感器、压力传感器等组成。控制部分由数据采集器、嵌入式计算机和软件等组成；执行部分由进退***、升降***组成。进退***由8个动力车轮和控制器组成；升降***由4个或8个电动推杆和控制器等组成。(图1)智能爬楼车通过传感器实时对外界环境和自身状态进行感知，并把这些信息传给计算机。计算机根据这些信息，通过比较、分析、判别、计算，控制电动推拉杆上下运动和电动车轮的前进运动，从而实现自主上下楼梯。

Description

智能爬楼车

技术领域

本车包含传感器测量、计算机***、动力车轮***、动力推拉杆上升下降 运动***和软件算法的组合，它是一个完整的***，涉及设备与控制方法。尤 其涉及机械、电机、电子、光电、计算机、自动控制和软件等内容，属于机器 人、智能控制、自动驾驶等类领域。

背景技术

台阶和楼梯可以说是人类的伟大发明创造之一。有了它，人类在爬山等向 上行进过程中可以向走平地一样，解放双手。它对于人类发展起到了重要的作 用。是人类进步的必然产物。但不论是对于腿脚不好的老年人和残疾人，还是 对搬运较重的物体来说，还是一个难以克服的障碍。特别是在没有电梯的楼房 或缺少无障碍通道的公共场所。尽管各国都在大力推行残疾人员的无障碍通道， 但不可避免的有很多场合只有台阶而没有电梯。为了能够在这些场地能够像走 平地一样利用机械车辆代替人们行走，研制发明能够上下楼梯的车是社会和人 类发展的需要。

为了解决上台阶的问题，目前很多工程师和发明家已经设计和开发了各种 爬楼梯车，主要实现方式有腿式、履带式和轮式，但在主现实生活中都没能得 到普及应用。主要问题是体积较大，结构复杂，难以操作，适用性差，负载小， 稳定性差，不安全等从而使应用受到限制。

由于科技水平的进步，传感器技术，机电一体化，光电一体化、智能控制 等高科技的发展已有可能设计出一种实用的智能爬楼的设备，实现人们希望利 用机器上下楼梯的愿望。

发明内容

如前所述，利用机器帮助人们爬楼车是人们日常生活的需要。目前上下楼 梯车大多存在着安全性、稳定性、操作性、灵活性、负载小等各种问题。为了 帮助人们上下楼梯，并解决上述爬楼梯车存在的问题，本发明提出了一种利用 传感器、动力推拉杆和动力车轮技术，采用垂直升降与水平运动相结合的计算 机控制方法实现爬楼的车——智能爬楼车。

1.产品组成：

该智能爬楼车由车体、传感与控制***硬件、动力进退***、动力升降系 统和控制软件组成五大部分组成(图1)：

1)车体

车体主要包括底盘、车身、车把、操纵机构等；

2)传感与控制***硬件

传感与控制***硬件主要包括距离、位置、速度、压力传感器，数据采集、 通信电路和嵌入式计算机；

3)动力升降***

动力升降***主要包括4或8个电动推拉杆，控制器和制动锁紧装置；

4)动力进退***

动力进退***主要包括8个电动车轮，车轮控制机构和车轮制动装置等；

5)控制软件

控制软件主要包括分析、比较、判别、计算和相关的算法程序。

2.功能与构成：

车体是车身、底盘和分***集合体。底盘用于支撑车身、分***和减振器 等；车身用于安装各部件和操纵机构；车把用于人员的稳定和控制转向；操纵 机构用于前进后退控制和在平面地面行驶时控制速度、方向。

传感与控制***硬件主要功能是测量距离、位置、速度和压力信息，通过 数据采集***、通信***传送给控制计算机。计算机加工、处理、储存各种数 据，并通过软件分析计算给出控制指令，控制车体运动。测距传感器安装在动 力车轮轴心附近，用于测量车轮与台阶的距离。压力传感器安装在车身与升降 推拉杆的连接面之间，用于测量推拉杆受力情况。

动力升降***的4个或8个电动推拉杆，分别独立按照一定间隔安装在车 体底盘上。在控制器的控制下可以各自的上下运动。功能是实现车体升降或车 轮的伸缩。

动力进退***的8个电动车轮安装在动力推拉杆底端；它们在各自的控制 机构和制动装置控制下可以一定的转速实现正转、反转、制动。功能是实现车 体的加速、减速、前进、后退、停止和转向。对于具有4个动力推拉杆和8个 推拉杆，可分为一个推拉杆安装两个动力车轮(称为8轮4组)和一个推拉杆安 装一个动力车轮(称为8轮8组)两种结构形式。见附图2和附图3.

控制软件是对传感器测量的距离与状态信息进行分析、比较、计算、判别。 最后形成指令，控制升降***和进退***工作。

3.工作原理：

由产品的功能与构成可知，动力推拉杆可随车轮前后运动，车体可由推拉 杆上下运动。从而车体即可以加速、减速、前进、后退、制动的前进后退运动， 又可上升、下降垂直运动。智能爬楼车的工作原理是由传感器测量、感知车与 台阶的相对位置、距离和状态信息，通过计算机控制动力推拉杆运动与动力车 轮运动的协同工作实现上下楼梯。(图4、图5)

附图说明

附图1表示产品构成图

附图2是表示智能爬楼车采用8动力车轮4动力推拉杆的推拉杆与车轮的 安装方式(2个动力轮对应1个动力推拉杆安装示意图)；

附图3是表示智能爬楼车采用8动力车轮8动力推拉杆的推拉杆与车轮的 安装方式(1个动力轮对应1个动力推拉杆安装示意图)；

附图4表示智能爬楼车上楼梯时简化控制框图；

附图5表示智能爬楼车下楼梯时简化控制框图；

附图6上台阶前测到台阶，车减速停止前进；

附图7前轮和车体抬起(除首轮组外，其它车轮组推出，车体抬高)；

附图8车前进；

附图9第二组车轮提起；

附图10车向前运。

具体实施方式

智能爬楼车的具体爬楼实施方式可通过上台阶步骤和下台阶步骤实现：

a.上台阶步骤：

1)车向前运动，测距传感器测量车辆与前方是否有台阶；

2)当前向传感器测到前面有台阶时，把测到的数据传给控制计算机，计算 机通过分析计算，确定台阶的距离、高度等信息，同时控制车速。并判断车轮 与台阶之间的距离是否过小；如果太小，控制停止前进，以确保车与前台阶不 发生碰撞；(图3)

3)在减速和停止过程中，计算机控制使其它没有接近台阶车轮所对应的推 拉杆向下同步推出，实现前轮连同车体一起提升，车体保持水平；(图4)

4)如果提升高度到达极限，但前轮高度还是达不到台阶高度。则停止提升， 下降倒退自动返回；

5)当前轮和车体提升高度高于台阶时，计算机控制提升停止，车辆向前运 动。

6)轮到达台阶上方后，前轮下降着地。前轮完成上台阶工作。(图5)

7)控制***继续控制车轮运动，车体向前运动。在此过程中，传感器探测 是否有某个车轮组接近台阶；

8)当通过测量或计算，发现后面某车轮组接近台阶时，控制车速。此车轮 组通过动力推拉杆提升；(图6)

9)同前，当这组车轮高度高于台阶高度时，车辆前进。此组车轮到达台阶 上方时，使此组车轮着地，车辆继续前进。直至最后一组车轮上升至台阶上。

对于有多个连续台阶构成的楼梯，每组车轮重复以上过程，即可实现车辆 爬楼梯的目的。参见(图6～图10)。实现过程中，车轮与台阶的距离和动力推

b.下台阶步骤：

注：上台阶主要用到的传感器是测距传感器，而下台阶主要用到的是压力 传感器。下台阶和上台阶除用到的传感器不同外，下台阶基本是上台阶逆过程， 下台阶示意图可参考上台阶示意图，只是运动方向相反。图从上台阶的最后一 张看起向前看。

1)车向前运动，通过测距传感器测量车辆与前方是否有需要下台阶。

2)当前向传感器测到前面有台阶时，把测到的数据传给控制计算机。

3)当接近台阶时，控制车辆减速慢行，使前轮越过台阶，并确保后面各车 轮在台阶上。

4)前轮完全越过台阶边缘时，此轮组压力传感器输出为零。当把此信息传 给控制计算机后。计算机控制前轮升降动力推拉杆向下推出，同时测量车轮是 否已到达台阶底部。

5)如果前轮下降距离已到极限，压力传感器依然输出为零，说明台阶高度 抬高，超出下降高度，前轮收回，倒退自动返回。

6)当前轮到达台阶底部后，压力传感器的输出将从零变为非零信号。传给 控制计算机，控制计算机根据此信号发出动力推杆停止下推和动力车轮向前运 动指令，车辆向前运动。同时传感器测量并判别是否有车轮越过台阶；

7)当有车轮越过台阶时，同前对应的动力推拉杆向下推出，直至此组车轮 达到台阶底部，爬楼车继续前进；

8)直到最后一组车轮越过台阶边沿。此时个前面各动力推拉杆同步拉回， 使最后一组车轮连同车体下降到位。

对于有多个连续台阶构成的楼梯，每组车轮重复以上过程，即可实现车辆 下楼梯的目的。在实现车体下台阶过程中的动力推拉杆的下降时机和下降高度 的信息由压力传感器测量，并反馈给计算机。计算机通过比较、判别和计算对 车轮下降深度、前进速度与位置控制。

Claims (5)

1.智能爬楼车是利用传感器，计算机控制，动力推拉杆升降和动力轮进退等技术，采用多 轮稳定结构，使用综合协调控制方法，实现车辆自主水平、稳定的上下楼梯。它的实现包括 的技术、方法、***产品等，其特征在于以下几个方面：

利用测距传感器和压力传感器的组合技术实现车体相对于台阶的位置、距离以及车辆状态的感知(技术与方法)。

2.利用电动推拉杆实现车体的抬升与下降，利用电动车轮运动带动车体前进，使得人或物平稳上下楼梯。(技术)

3.利用传感器感知、采用计算机控制、操纵电动推拉杆与电动车轮执行，使车体运动，构成闭环爬楼控制***。(***产品)

4.利用算法对电动推拉杆和电动车轮，进行协同组合控制实现自主爬楼。(方法)

5.采用8个电动车轮4个电动推拉杆的8轮4组，或8电动车轮8个电动推拉杆构成或8轮8组稳定结构形式。能保证在一般正常使用条件下，被载物体重心都在几个承重轮构成的几何图形内部，而不会在它们外部。(结构)

以上特征均属于保护内容。