CN105181573B - 一种面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器，其特征在于：它包括一球壳，球壳内表面上刚性连一驱动电机的输出轴，驱动电机固定连接一驱动电机座，驱动电机座通过其支撑杆连接球壳内表面，且驱动电机的输出轴与驱动电机座的支撑杆在同一条直线上，实现通过控制驱动电机的转矩来控制球壳运动；驱动电机座上还固定连接一单摆，且单摆的长度小于球壳的内部半径；单摆内部设置有用于控制球壳运动速度和计算非结构化环境下地面滚动摩阻系数的控制模块。本发明由于采用球形封闭设计，无棱无角，在发生碰撞时，不易倾覆，且有效的保护内部结构不受外界环境的破坏。因此，本发明可以广泛用于轮式移动机器人控制和月球探测等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种地面滚动摩阻系数感知器，特别是关于一种面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器。
背景技术
任何轮式移动机器人或车辆在行驶过程中，不可避免的受到来自地面的滚动摩阻。在非结构化环境下，地面的表面物质、粗糙度和强度不均，结构变化不规律且不稳定，这会引起滚动摩阻的不规则变化，对轮式移动机器人或车辆的行驶造成很大的干扰。如果能够对非结构化环境下的地面滚阻进行数据收集和信息处理，使机器人在复杂环境下提前认知地面的滚动摩阻系数，从而得到运动过程中受到的滚动摩阻，会对提高机器人行驶稳定性有重要作用。而现有的地面滚动摩阻参数的测定有两大不足：1)车轮上无法安装传感器，大都基于实验的方法，实地的测量地面物理参数，这种实验的方法只能对某一具体路面进行测定，甚至在某些非结构化环境(如月球)下无法进行测定；2)由其他参数变量反演滚动摩阻的机理公式复杂，准确性差。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种解决实验方法只能对某一具体路面进行测定的不足、且在非结构化环境下无法进行测定的面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器，其特征在于：它包括一球壳，所述球壳内表面上刚性连接一驱动电机的输出轴，所述驱动电机固定连接一驱动电机座，所述驱动电机座通过其支撑杆连接所述球壳内表面，且所述驱动电机的输出轴与所述驱动电机座的支撑杆在同一条直线上，实现通过控制所述驱动电机的转矩来控制所述球壳运动；所述驱动电机座上还固定连接一单摆，且所述单摆的长度小于所述球壳的内部半径；所述单摆内部设置有用于控制所述球壳运动速度和计算非结构化环境下地面滚动摩阻系数的控制模块。
所述控制模块包括速度控制机构、角度测量机构、运算机构和电源机构；所述速度控制机构用于控制所述球壳保持匀速运动；所述角度测量机构用于测量所述球壳匀速运动时所述单摆的摆角，并将该摆角传送给所述运算机构；所述运算机构根据摆角计算滚动摩阻系数；所述电源机构为所述驱动电机和所述控制模块供电。
所述速度控制机构包括测速传感器和信息处理单元，且所述信息处理单元内预设期望速度；所述测速传感器用于实时测量所述球壳的速度，并将速度信息反馈给所述信息处理单元；所述信息处理单元根据当前所述球壳的速度与其内预设的期望速度的误差，调节所述驱动电机的输出转矩，转矩作用于所述球壳，由于所述球壳与所述驱动电机刚性连接，因此对所述驱动电机座产生一个大小相等、方向相反的反作用转矩，从而所述驱动电机座带动所述单摆摆动，所述单摆的摆动导致面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器的重心偏离，所述单摆的重力相对面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器与地面的接触点产生一个偏心转矩，从而所述驱动球壳克服滚动摩阻，开始滚动，所述测速传感器实时传送所述球壳的速度给所述信息处理单元，所述信息处理单元不断调节所述驱动电机的输出转矩，从而使面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器按期望速度匀速运动。
所述运算机构根据计算非结构化环境下地面滚动摩阻系数μ，式中，m为所述单摆的质量，M为面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器的质量，l为所述单摆的摆长，θ为匀速运动时的所述单摆的摆角。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用一球壳，球壳内表面上刚性连一驱动电机的输出轴，驱动电机固定连接一驱动电机座，驱动电机座通过其支撑杆连接球壳内表面，且驱动电机的输出轴与驱动电机座的支撑杆在同一条直线上，实现通过控制驱动电机的转矩来控制球壳运动；驱动电机座上还固定连接一单摆，且单摆的长度小于球壳的内部半径；单摆内部设置有用于控制球壳运动速度和计算非结构化环境下地面滚动摩阻系数的控制模块。控制模块通过调节驱动电机的输出转矩，转矩作用于球壳，由于球壳与驱动电机刚性连接，因此对驱动电机座产生一个大小相等、方向相反的反作用转矩，从而驱动电机座带动单摆摆动，单摆的摆动将会导致本发明的重心偏离，单摆的重力相对本发明与地面的接触点产生一个偏心转矩，从而驱动球壳克服滚动摩阻。然后通过球壳匀速运动时的摆角，计算出地面的滚动摩阻系数，从而实现不受环境限制的非结构化环境下的地面探测。本发明由于采用上述设置，机械结构简单、成本低，因此可以批量生产。2、本发明由于采用球形封闭设计，无棱无角，在发生碰撞时，不易倾覆，且有效的保护内部结构不受外界环境的破坏。3、本发明采用机械结构测量非结构化环境工作下的感知器的摆角信息，结构可靠，只利用摆角信息这单一变量即可测定滚动摩阻参数，机理简单有效，且适用于恶劣的工作条件，可靠性高。鉴于以上理由，本发明可以广泛用于轮式移动机器人控制和月球探测等领域。
附图说明
图1是本发明结构示意图
图2是本发明匀速运动控制过程示意图
图3是本发明滚动摩阻系数测定过程示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明包括一球壳1，球壳1内表面上刚性连接一驱动电机2的输出轴21，驱动电机2固定连接一驱动电机座3，驱动电机座3通过其支撑杆31连接球壳1内表面，且驱动电机2的输出轴21与驱动电机座3的支撑杆31在同一条直线上，驱动电机座3的支撑杆31与球壳1可发生相对转动。驱动电机座3上还固定连接一单摆4，且单摆4的长度小于球壳1的内部半径。单摆4内部设置有用于控制球壳1运动速度和计算非结构化环境下地面滚动摩阻系数的控制模块5。
控制模块5包括速度控制机构51、角度测量机构52、运算机构53和电源机构54。
速度控制机构51用于控制球壳1保持匀速运动，其包括测速传感器511和信息处理单元512，且信息处理单元512内预设期望速度。测速传感器511用于实时测量球壳1的速度，并将速度信息反馈给信息处理单元512。信息处理单元512根据当前球壳1的速度与其内预设的期望速度的误差，调节驱动电机2的输出转矩，转矩作用于球壳1，由于球壳1与驱动电机2刚性连接，因此对驱动电机座3产生一个大小相等、方向相反的反作用转矩，从而驱动电机座3带动单摆4摆动，单摆4的摆动将会导致本发明的重心偏离，单摆4的重力相对本发明与地面的接触点产生一个偏心转矩，从而驱动球壳1克服滚动摩阻，开始滚动，测速传感器511实时传送球壳1的速度给信息处理单元512，信息处理单元512不断调节驱动电机2的输出转矩，使误差趋向于0，从而使本发明按期望速度匀速运动。
角度测量机构52用于测量球壳1匀速运动时单摆4的摆角，其可以采用加速度计和陀螺仪。
当球壳1达到匀速运动时，单摆4对球壳1的偏心力矩等于地面对球壳1的滚动摩阻。此时，单摆4相对于球心有一个旋转角度，角度测量机构52利用加速度计和陀螺仪测得此时单摆4的角度信号。
如图3所示，当本发明达到匀速运动时，角度测量机构52中的陀螺仪和加速度计将测得的单摆4摆角信号传递给运算机构53，运算机构53由公式(4)实时推导出地面的滚动摩阻系数，滚动摩阻系数的推算过程如下：
由公式(1)可知，在本发明质量一定的时候，滚动摩阻与滚动摩阻系数存在一一对应的关系；由公式(2)可知，单摆4的摆角与滚动摩阻也存在一个对应关系，由公式(1)和公式(2)可得到此时单摆4摆角与滚动摩阻系数的对应关系如公式(3)所示。
τf＝μMg (1)
mgl sinθ＝τf (2)
mgl sinθ＝μMg (3)
式中，τf为地面对球壳1的滚动摩阻，μ为滚动摩阻系数；M为本发明的质量，g为重力加速度，l为单摆4的摆长，m为单摆4的质量，θ为稳定时的单摆4的摆角。
式中，μ为滚动摩阻系数，m为单摆4的质量，M为本发明的质量，l为单摆4的摆长，θ为稳定时的单摆4摆角。
电源机构54为驱动电机2和控制模块5供电。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (2)
1.一种面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器，其特征在于：它包括一球壳，所述球壳内表面上刚性连接一驱动电机的输出轴，所述驱动电机固定连接一驱动电机座，所述驱动电机座通过其支撑杆连接所述球壳内表面，且所述驱动电机的输出轴与所述驱动电机座的支撑杆在同一条直线上，实现通过控制所述驱动电机的转矩来控制所述球壳运动；所述驱动电机座上还固定连接一单摆，且所述单摆的长度小于所述球壳的内部半径；所述单摆内部设置有用于控制所述球壳运动速度和计算非结构化环境下地面滚动摩阻系数的控制模块；
所述控制模块包括速度控制机构、角度测量机构、运算机构和电源机构；所述速度控制机构用于控制所述球壳保持匀速运动；所述角度测量机构用于测量所述球壳匀速运动时所述单摆的摆角，并将该摆角传送给所述运算机构；所述运算机构根据摆角计算滚动摩阻系数；所述电源机构为所述驱动电机和所述控制模块供电；
所述速度控制机构包括测速传感器和信息处理单元，且所述信息处理单元内预设期望速度；所述测速传感器用于实时测量所述球壳的速度，并将速度信息反馈给所述信息处理单元；所述信息处理单元根据当前所述球壳的速度与其内预设的期望速度的误差，调节所述驱动电机的输出转矩，转矩作用于所述球壳，由于所述球壳与所述驱动电机刚性连接，因此对所述驱动电机座产生一个大小相等、方向相反的反作用转矩，从而所述驱动电机座带动所述单摆摆动，所述单摆的摆动导致面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器的重心偏离，所述单摆的重力相对面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器与地面的接触点产生一个偏心转矩，从而所述驱动球壳克服滚动摩阻，开始滚动，所述测速传感器实时传送所述球壳的速度给所述信息处理单元，所述信息处理单元不断调节所述驱动电机的输出转矩，从而使面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器按期望速度匀速运动。
2.如权利要求1所述的一种面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器，其特征在于：所述运算机构根据计算非结构化环境下地面滚动摩阻系数μ，式中，m为所述单摆的质量，M为面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器的质量，l为所述单摆的摆长，θ为匀速运动时的所述单摆的摆角。
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