水下行走机构防倾翻方法、系统和计算机可读存储介质与流程

1.本发明涉及防倾翻技术领域，具有涉及一种水下行走机构防倾翻方法、系统和计算机可读存储介质。


背景技术：

2.目前，行走机构主动防倾覆技术主要包括两类：一类是从行走机构本身抗倾覆的能力出发，设法提高整体的侧翻阈值，如加装主动悬架、主动防侧倾杆来控制侧倾运动，来达到提高侧翻阈值的目的；另一类是从设法控制行走机构的横摆运动出发，通过控制整体横摆运动来间接控制的侧倾运动，进而达到防止侧翻的目的，如主动转向技术和差动制动技术等。
3.主动悬架可以控制行走机构底部高度，通过调节左右两侧的悬架作用力来产生侧倾力矩，从而保证整体的侧倾稳定性。主动防侧倾杆主要负责把两侧悬挂连接起来。作用是当行走机构转弯时，弯道内侧悬挂被拉伸，外侧被压缩，防倾杆此时起到一个抗扭作用以减少悬挂拉伸与压缩幅度，从而控制侧倾幅度。
4.主动转向技术是在人为操控转向的基础上，产生一个额外的转角来调节行走底盘，如车轮、履带等，进而改变了整体的侧向力，调节行走机构的横摆运动达到防侧翻的目的；差动制动技术的原理是对行走机构施加大小不等的制动力，从而产生横摆力矩来降低行走机构的侧向加速度，进而降低侧翻倾向。
5.然而，主动悬架以及主动防侧倾杆技术结构复杂、成本较高，在重型设备上应用较少。主动转向技术存在成本高、技术复杂的缺点，并且控制过程中会对驾驶人造成较大操纵干扰，因此应用范围十分有限。


技术实现要素：

6.鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的第一目的在于提供一种水下行走机构防倾翻方法，用于水下行走机构防倾翻，能够适应多种不同类型的行走机构，有效地提高了安全性能。
7.该方案具体如下：
8.一种水下行走机构防倾翻方法，包括以下步骤：
9.获取行走机构的行走速度；
10.根据所述行走速度选择倾翻指标和预定参数；
11.判断所述倾翻指标与预定参数关系，根据所述倾翻指标与预定参数关系判断是否进行倾翻预警操作或防倾翻操作。
12.进一步地，还包括以下步骤：
13.获取倾翻时间；
14.判断倾翻时间是否小于预警时间，若倾翻时间小于所述预警时间，则进行倾翻预警操作。
15.进一步地，所述运行速度大于预定速度，则倾翻指标选择侧向加速度，所述预定参数选择侧向加速度倾翻临界值。
16.进一步地，判断所述侧向加速度与所述侧向加速度倾翻临界值的关系是否满足第一条件，若满足，则进行倾翻预警操作；判断所述侧向加速度与所述侧向加速度倾翻临界值的关系是否满足第二条件，若满足，则进行防倾翻操作。
17.进一步地，所述运行速度小于预定速度，则倾翻指标选择侧倾角，所述预定参数选择侧倾角倾翻临界值。
18.进一步地，判断所述侧倾角与所述侧倾角倾翻临界值的关系是否满足第三条件，若满足，则进行倾翻预警操作；判断所述侧倾角与所述侧倾角倾翻临界值的关系是否满足第四条件，若满足，则进行防倾翻操作。
19.进一步地，所述防倾翻操作包括减速、退回、转弯操作中的一种或多种。
20.进一步地，所述防倾翻操作通过pid控制器对所述行走机构进行制动，pid控制量u为制动力大小，倾翻指标和预定参数之间的偏差设为e，其中u和e满足传递函数表达式：其中，u(s)、e(s)为控制量u与偏差e的拉氏变换，k
p
、ki、kd分别为比例系数、微分系数、积分系数。
21.相应地，还提供一种水下行走机构防倾翻系统，包括控制器和惯性导航系统，所述惯性导航系统用于获取水下行走机构的各方向加速度，并计算得出水下行走机构的侧向加速度和整体侧倾角，所述控制器用于接收所述惯性导航系统的信息对行走机构进行控制。
22.相应地，还提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述水下行走机构防倾翻方法的步骤。
23.与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：
24.本发明提供水下行走机构防倾翻方法，根据行走机构的行走速度选择适用的倾翻指标，例如侧向加速度、侧倾角等参数，通过判断倾翻指标是否满足预定参数，例如侧向加速度临界值、侧倾角临界值等参数，进而决定是否进行防倾翻操作，这种方法不需要对行走机构的结构做相应改进，仅需要获取行走机构的行走速度、倾翻指标等状态参数对行走机构进行提前预警和防倾翻操作，因此适用性广，能够用于多种水下移动平台，有效地降低倾翻风险。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
26.图1为本发明实施例方法流程图；
27.图2为本发明实施例倾翻时间示意图；
28.图3为本发明实施例方法整体流程图。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
31.还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
32.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
33.图1为本发明水下行走机构防倾翻方法实施例的流程图。
34.请参考图1，该方法实施例用于水下行走机构的防倾翻，具体包括以下步骤：
35.步骤s100：获取行走机构的行走速度；步骤s200：根据行走速度选择相应的倾翻指标和预定参数；步骤s300：判断倾翻指标与预定参数关系；s400：根据倾翻指标与预定参数关系判断是否进行倾翻预警操作或防倾翻操作。
36.其中，本实施例中的步骤s100获取的行走机构的行走速度包高速和低速两种，高速和低速的范围的具体值根据行走机构的种类或者行走的环境进行确定。步骤s200中选择的倾翻指标和预定参数是根据步骤s100中速度范围所确定，例如，当行走机构的行驶速度大小属于步骤s100中确定的高速范围，那么对应高速范围确定相应的倾翻指标和预定参数，或者当行走机构行驶速度大小属于s100中确定的低速范围，那么对应低速范围确定相应的倾翻指标和预定参数，高速范围和低速范围中确定倾翻指标和预定参数是不同的，本实施例中的倾翻指标可以是侧向加速度或侧倾角，预定参数可以是侧向加速度倾翻临界值或者侧倾角倾翻临界值。在步骤s300中确定倾翻指标与预定参数之间的关系。在步骤s400中，根据步骤s300中的倾翻指标与预定参数之间的关系是否满足预警条件来判断是否进行倾翻预警操作，或者根据步骤s300中的倾翻指标与预定参数之间的关系是否满足防倾翻操作条件来判断是否进行防倾翻操作。
37.在本实施例中，该方法实施例还包括预警时间步骤，该步骤主要包括以下内容：获取倾翻时间；判断倾翻时间是否小于预警时间，若倾翻时间小于预警时间，则进行倾翻预警操作。本实施例中的倾翻预警操作是指向上位机发送预警信号，预警行走机构可能发生倾翻。
38.具体地，如图2所示，直角坐标系的横坐标为运行的时间轴，纵坐标为倾翻预警时间。倾翻时间是在假定当前输入不发生变化时，行走机构从当前时刻运行到发生翻倒所需
要的时间值。预警时间可以准确地预测行走机构未来一段时间内的翻倒危险水平，本发明实施例采用时间量来描述行走机构的倾翻危险程度，当这个时间的值越接近于0时，则表示该行走机构将要发生翻倒的危险程度比较高，需要操作人员高度警惕、谨慎操作，必要时还可对行走机构采取主动控制措施以防止发生倾翻。该时间量定义为倾翻预警时间值，简称倾翻时间，即当前时刻距离发生倾翻时刻的时间间隔。
39.本实施例中，当行走机构的运行速度大于预定速度时，即行走机构以高速状态行驶，则倾翻指标选择侧向加速度，预定参数为侧向加速度倾翻临界值。倾翻指标和预定参数选定后，对比侧向加速度和侧向加速度倾翻临界值，判断侧向加速度和侧向加速度倾翻临界值之间的关系是否满足第一条件或第二条件，这里的第一条件是指侧向加速度的数值不断靠近侧向加速度倾翻临界值，但是两者之间仍具有一定大小的偏差，第二条件是指侧向加速度接近侧向加速度倾翻临界值，且两者之间的偏差逐渐趋于0。若侧向加速度和侧向加速度倾翻临界值之间的关系满足第一条件，则进行倾翻预警操作，即向上位机发出危险报警，若满足第二条件，则进行防倾翻操作，即对行走机构自动制动防止倾翻。
40.防倾翻操作具体包括减速、退回、转弯操作中的一种或多种，选择何种方式防倾翻则根据行走机构所处环境、地形、工作状态等因素进行确定。防倾翻操作具体通过pid控制器对行走机构进行制动，pid控制量u为制动力大小，侧向加速度和侧向加速度倾翻临界值之间的偏差设为e，其中u和e满足传递函数表达式：其中，u(s)、e(s)为控制量u与偏差e的拉氏变换，k
p
、ki、kd分别为比例系数、微分系数、积分系数。对于不同类型的行走机构，均可以通过调节pid控制器中k
p
、ki、kd三个参数来使系统达到预期的效果。
41.本实施例中，当行走机构的运行速度小于预定速度时，即行走机构以低速状态行驶，则倾翻指标选择侧倾角，预定参数为侧倾角倾翻临界值。倾翻指标和预定参数选定后，对比侧倾角和侧倾角倾翻临界值，判断侧倾角和侧倾角倾翻临界值之间的关系是否满足第三条件或第四条件，这里的第三条件是指侧倾角的数值不断靠近侧倾角倾翻临界值，但是两者之间仍具有一定大小的偏差，第四条件是指侧倾角接近侧倾角倾翻临界值，且两者之间的偏差逐渐趋于0。若侧倾角和侧倾角倾翻临界值之间的关系满足第三条件，则进行倾翻预警操作，即向上位机发出危险报警，若满足第四条件，则进行防倾翻操作，即对行走机构自动制动防止倾翻。
42.防倾翻操作具体包括减速、退回、转弯操作中的一种或多种，选择何种方式防倾翻则根据行走机构所处环境、地形、工作状态等因素进行确定。防倾翻操作具体通过pid控制器对行走机构进行制动，pid控制量u为制动力大小，侧倾角和侧倾角倾翻临界值之间的偏差设为e，其中u和e满足传递函数表达式：其中，u(s)、e(s)为控制量u与偏差e的拉氏变换，k
p
、ki、kd分别为比例系数、微分系数、积分系数。对于不同类型的行走机构，均可以通过调节pid控制器中k
p
、ki、kd三个参数来使系统达到预期的效果。
43.如图3所示，为本实施例方法的整体流程示意图。
44.请参考图3，本实施例中，临界倾翻判断指标，简称倾翻指标，是描述是否会发生翻
车的判断标准，倾翻指标的选择和确定对于倾翻预警策略的效果好坏具有非常直接的影响。在本发明实施例中，采用侧向加速度和整体侧倾角作为两个重要的倾翻指标，并通过这两个指标对比倾翻临界状态判断阈值(对比侧向加速度倾翻临界值或侧倾角倾翻临界值)。如果实际数值比设定阈值小，则认为此刻无侧翻危险，防倾覆系统此刻不会采取相应的防侧翻措施；如果实际数值大于或是等于设定的阈值，可以认为有发生侧翻的危险，相应的防倾覆系统会对行走机构做出适当的控制，减小发生侧翻的概率。两种指标的运用场景分为以下两种情况，以行走机构当前状态的车速为分为低速和高速两种工况，在高速时选用侧向加速度为倾翻判断指标；在低速时选用侧倾角为倾翻判断指标。而侧向加速度和整体侧倾角这两个值通过加装惯性导航系统来采集行走机构各方向加速度并计算得出，同时运用扩展卡尔曼滤波技术获得更为准确的传感器数据信息。
45.如果倾翻指标数值不断靠近倾翻临界状态判断阈值，但仍然有一定大小的偏差e，则防倾覆系统自动向上位机发出危险报警；如果倾翻指标数值接近倾翻临界状态判断阈值，偏差e逐渐趋于0时，防倾覆系统会对行走机构自动制动，则将采集的数据输入pid控制器对行走机构进行制动。pid控制量u为制动力的大小，其与偏差e满足以下传递函数表达式：
[0046][0047]
式中，u(s)、e(s)为控制量u与偏差e的拉氏变换；k
p
、ki、kd分别为比例系数、微分系数、积分系数。对于不同类型的行走机构，均可以通过调节pid控制器中k
p
、ki、kd三个参数来使系统达到预期的效果。
[0048]
本发明还提供一种水下行走机构防倾翻系统实施例，包括控制器以及和控制器相连的惯性导航系统，其中惯性导航系统用于获取水下行走机构的各方向加速度，并计算得出水下行走机构的侧向加速度和整体侧倾角，控制器用于接收所述惯性导航系统的信息对行走机构进行控制。
[0049]
本发明还提供一种计算机可读存储介质的实施例，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上水下行走机构防倾翻方法实施例的步骤。
[0050]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0051]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述系统的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上
描述的全部或者部分功能。
[0052]
综上所述，本发明提供的实施例，根据行走机构的行走速度选择适用的倾翻指标，例如侧向加速度、侧倾角等参数，通过判断倾翻指标是否满足预定参数，例如侧向加速度临界值、侧倾角临界值等参数，进而决定是否进行防倾翻操作，这种方法不需要对行走机构的结构做相应改进，仅需要获取行走机构的行走速度、倾翻指标等状态参数对行走机构进行提前预警和防倾翻操作，因此适用性广，能够用于多种水下移动平台，有效地降低倾翻风险。
[0053]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。