CN106153358B - 地形变换与可重构综合测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地形变换与可重构综合测试装置及测试方法，测试装置包括承载基础和排列固定于承载基础的多个测试单元；每个测试单元均包括测试壳体以及用于调节测试壳体高低位置的调节机构；测试壳体的横截面为多边形，相邻测试壳体的侧面之间紧密接触，各个测试壳体的上表面拼接为模拟地形和路面。在构建具有一定规模的测试装置后，只需要根据地形特征建立的曲面函数模型，选取测试壳体位置坐标(X、Y)，计算获取测试单元高度Z，调整各个测试单元高度，即可得到具有不同曲面特征的模拟地形。变换、重构后的地形和路面基础数据，可被记录和检验。因此，不需要重新构建测试装置，提高了测试装置的通用性，节约了测试场地和测试资金。

Description

地形变换与可重构综合测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于行进体测试技术领域，具体涉及一种地形变换与可重构综合测试装置及测试方法。

背景技术

行进体包括智能行进体和非智能行进体，对于智能行进体，例如，灾害搜救类智能行进体，是一种面向地震灾难应用、能够在废墟缝隙中运动与探测、并可对废墟中的幸存者实施辅助救援的智能行进体系统，已成为当今重要研究课题。研究出高效的灾害搜救类智能行进体，并使其广泛运用到灾后救援工作中，可降低人力物力投入、减少救援工作中的意外伤亡，并提高救援效率与成功率，对于提高人类自身抵抗自然灾害能力的进程具有显著意义。

对于灾害搜救类智能行进体的研究，重点需解决的问题之一为：如何提高智能行进体的运动能力，使其能够适应各种复杂的地形条件，例如，废墟、泥地、沙地、台阶、陡坡、壕沟、弯道等。因此，在智能行进体的研究过程中，需要反复使用测试装置对智能行进体的性能进行测试。

同样的，对于非智能行进体，例如，车模、小型车辆等，也需要对其通过能力、越障能力、转弯和防倾覆等能力进行性能测试。

现有技术中，在对智能行进体和非智能行进体进行性能测试时，主要采用以下两种方式之一模拟不平整路面：(1)将不同高度砖块、木料等建筑材料平铺在路面上，从而临时构建一个不平整路面；(2)在泥土路面挖掘不同深度的小型沟壑，达到模拟不平整路面的效果。

上述方式存在的主要问题为：(1)构建完成的测试装置的测试指标单一固定不可调整，因此，针对不同行进体，需要构建具有不同测试路面指标的测试装置，其中，路面指标包括不平整度、坡度、弯道和障碍高度等；因此，具有测试装置搭建过程繁琐的问题，另外，由于需要搭建多个独立的测试装置，也造成了大量场地和资金的浪费。(2)无法成为定型的测试装置，测试指标非固定，无法量化智能行进体的综合行动能力。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种地形变换与可重构综合测试装置及测试方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种地形变换与可重构综合测试装置，包括承载基础(1)和排列固定于所述承载基础(1)的多个测试单元(2)；

每个所述测试单元(2)均包括测试壳体(4)以及用于调节所述测试壳体(4)高低位置的调节机构；所述测试壳体(4)的横截面为多边形，相邻所述测试壳体(4)的侧面之间紧密接触，各个所述测试壳体(4)的上表面拼接为模拟地形和路面。

优选的，所述测试壳体(4)的横截面为矩形。

优选的，所述调节机构为高度连续调节机构或高度非连续调节机构。

优选的，所述高度连续调节机构为丝杆螺母副调节机构或滑杆调节机构。

优选的，所述高度连续调节机构为自动驱动调节机构或非自动驱动调节机构。

优选的，所述自动驱动调节机构包括驱动源；通过所述驱动源驱动所述测试壳体(4)进行上升或下降运动；

其中，所述驱动源包括液压驱动源、电机阵列驱动源、人工动力驱动源。

优选的，所述高度非连续调节机构为插杆和插孔配合式调节机构。

优选的，还包括：用于限制各个所述测试壳体(4)倾斜的固定围板(5)；所述固定围板(5)的底端与所述承载基础(1)的外围固定连接。

本发明还提供一种地形变换与可重构综合测试方法，包括以下步骤：

S1，构建地形曲面数学模型；

S2，每个测试单元(2)的测试壳体(4)截面为矩形，设其长度值为A0，宽度值为B0；

S3，选取A*B场地范围，即：该场地的长度值为A，宽度值为B；在所述场地布置m*n个测试单元，组成测试单元阵列；其中，m＝A/A0；n＝B/B0；

S4，在所述场地建立笛卡尔坐标系X-Y-Z；其中，X轴和Y轴为在水平面相互垂直的坐标轴；Z轴为铅垂线；

S5，获得所述m*n个测试单元在所述笛卡尔坐标系中的水平面位置坐标(X，Y)；将所述m*n个测试单元的水平面位置坐标以及需要重构的地形曲面参数输入所述地形曲面数学模型，所述地形曲面数学模型经运算，得到每个所述测试单元的理想高度值Z1；

S6，根据每个所述测试单元的理想高度值Z1，获得相应测试单元的当前实际高度值Z2，然后调整各个测试单元的实际高度值，使其升降至趋于理想高度值Z的位置，因此，升降至不同高度的测试单元的上表面变换或重构为需模拟的地形曲面。

优选的，S6中，当调整各个测试单元的实际高度，使其升降至趋于理想高度值Z的位置之后，还包括：

S7，检测到调整后的测试单元的实际高度值Z3；

然后，判断检测得到的实际高度值Z3与理想高度值Z1的偏差是否在可容许范围内，如果在，则表明各个测试单元高度调整情况符合预期，结束对该测试单元的高度进行进一步调整；如果不在，则执行S8；

S8，进一步对测试单元的实际高度值进行调整，如此不断循环，直到调整后的实际高度值与理想高度值Z1的偏差在可容许范围内；

此外，S6中，通过以下方式获得相应测试单元的当前实际高度值Z2：刻度标定方式、激光测量方式、电磁波测量方式和位移传感器测量方式。

本发明提供的地形变换与可重构综合测试装置及测试方法具有以下优点：

在构建具有一定规模的测试装置后，只需要调整各个测试单元的高度，即可得到具有不同特征的地形和路面，而不需要重新构建测试装置，提高了测试装置的通用性，节约了测试场地和测试资金。

附图说明

图1为基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置组装后的立体示意图；

图2为基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置组装后的俯视图；

图3为基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置组装后的侧视图；

图4为每个测试单元2的机械结构立体示意图；

图5为通过电钻等工具驱动丝杆旋转的结构示意图；

图6为丝杆螺母移动到丝杆螺纹最底端时的结构示意图；

图7为丝杆螺母移动到丝杆螺纹最顶端时的结构示意图；

图8为模拟垂直障碍型不平整路面的效果图；

图9为模拟水平壕沟型不平整路面的效果图；

图10为模拟凸岭型不平整路面的效果图；

图11为模拟路沟型不平整路面的效果图；

图12为模拟弹坑型不平整路面的效果图；

图13为模拟复杂路面型不平整路面的效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

本发明提供一种地形变换与可重构综合测试装置及测试方法，用于对智能行进体和非智能行进体进行行动能力测试，其中，智能行进体既可以为灾害搜救类机器人，也可以为其他智能设备，例如，车模等，用于对车模进行性能测试，本发明对智能行进体和非智能行进体的具体类型并不限制。

如图1所示，为地形变换与可重构综合测试装置组装后的立体示意图；如图2所示，为地形变换与可重构综合测试装置组装后的俯视图，包括：承载基础1和多个测试单元2；各个测试单元2排列固定于承载基础1上，由于每个测试单元均固定于承载基础上，可避免在对行进体测试时，测试单元发生水平方向运动，提高了测试装置的连接性能。此外，在承载基础1的外围还可以固定有固定围板5，通过承载基础1和固定围板5的共同限位作用，使各个测试单元紧密排列于固定围板5所围成的矩形空间中，避免在对行进体测试时，测试单元发生水平方向倾斜，提高了测试装置的连接性能。此外，测试单元的测试壳体4的横截面为矩形，从而可以保证各个测试单元排列并固定于承载基础上时，相邻测试壳体4之间紧密接触，不存在间隙，防止因间隙而造成对行进体测试的不必要干扰，达到更为逼真的模拟地形和路面的效果。

每个测试单元2均包括测试壳体4以及用于调节测试壳体4高低位置的调节机构；通过调节机构而调节测试壳体上表面的位置，使各个测试壳体4的上表面拼接为模拟地形和路面。

本发明中，用于调节测试壳体4高低位置的调节机构可根据实际需求灵活设置，本发明对调节机构的具体结构形式并不限制，凡是能够调节测试壳体4高低位置的结构均在本发明保护范围之内。

从整体上，调节机构可区分为两类：一类为高度连续调节机构，用于对测试壳体的高低位置进行连续性调节；另一类为高度非连续调节机构，只能对测试壳体的高低位置进行非连续性调节。此处，连续性调节的含义是：可使测试壳体的高度属于某个调节区间的任意位置，例如，假设测试壳体的高度调节区间为0～30毫米，则可使测试壳体位于0～30毫米中的任意数值，如，为27毫米、28毫米或28.5毫米等。非连续性调节的含义是：测试壳体的高度无法在某个调节区间任意调节，只能以固定间隔或非固定间隔属于某个调节区间的特定位置，例如，假设为固定间隔，并且，固定间隔为3毫米，则：当高度调节区间为0～30毫米时，测试壳体的高度可调节为0毫米、3毫米、6毫米…。而无法使测试壳体的高度为1毫米、2毫米等。

实际应用中，高度连续调节机构可采用丝杆螺母副调节机构或滑杆调节机构。高度非连续调节机构为插杆和插孔配合式调节机构。并且，对于高度连续调节机构，既可采用手动调节方式，也可采用自动调节方式，例如，通过电机驱动器或液压驱动器进行自动调节，本发明对此均不限制。

作为一种具体实现方式，为方便理解，以下介绍一种基于丝杆螺母副调节机构的地形变换与可重构综合测试装置的实施例：

如图1所示，为基于丝杆螺母副的地形变换与可重构综合测试装置组装后的立体示意图；如图2所示，为基于丝杆螺母副的地形变换与可重构综合测试装置组装后的俯视图，如图3所示，为基于丝杆螺母副的地形变换与可重构综合测试装置组装后的侧视图；如图4所示，为每个测试单元2的机械结构立体示意图，均包括调节机构3和测试壳体4；

调节机构3包括丝杆3.1、丝杆螺母3.2、固定套管3.3和轴承3.4；固定套管3.3垂直固定安装于承载基础1上，可采用焊接或螺丝固定方式；固定套管3.3的内部设置轴承3.4；丝杆3.1垂直设置，并且，丝杆3.1的底端套设于轴承3.4上，使丝杆3.1通过轴承3.4与固定套管3.3可旋转的连接；丝杆螺母3.2套设于丝杆3.1上，并且，丝杆螺母3.2置于测试壳体4的空腔中，丝杆螺母3.2的外壁与测试壳体4的内壁固定。因此，当使丝杆发生顺时针或逆时针转动时，可驱动丝杆螺母进行上升或下降的直线运动，从而带动测试壳体进行升降运动，达到调整测试壳体高度而模拟不同地形和路面的目的。

在上述结构中，测试壳体与丝杆螺母固定，而丝杆螺母与丝杆构成丝杆螺母副，可将丝杆的旋转运动转化为螺母的直线运动；丝杆通过轴承与固定套管可转动连接，而固定套管固定于承载基础上，因此，固定套管在确保丝杆能够在套管中自由旋转的同时，固定套管还对整个测试装置具有侧向支撑作用，保证上部的测试壳体的垂直状态。

此外，本发明中，丝杆的螺纹高度即为测试壳体的高度调节范围，例如，如果丝杆的螺纹高度为50cm，则测试壳体的高度调节范围即为0～50cm。如图6所示，为丝杆螺母移动到丝杆螺纹最底端时的结构示意图，如图7所示，为丝杆螺母移动到丝杆螺纹最顶端时的结构示意图，由此可见，为实现上述效果，需要满足以下设计参数：测试壳体4的内径大于固定套管3.3的外径，使固定套管3.3可完全置于测试壳体4的空腔中。通过上述结构，在尽量降低整个测试装置成本的前提下，最大可能的提高了测试壳体的高度调节范围。

本发明中，可采用各类结构形式向丝杆施加外力，从而驱动丝杆旋转，进而调节测试壳体4的高度。以下仅介绍两种具体结构形式：

(1)非自动驱动结构形式

本例为采用电钻等工具驱动丝杆旋转的示例。

如图5所示，为通过电钻等工具驱动丝杆旋转的结构示意图；丝杆3.1的顶端面设置有丝杆调整单元6，例如，丝杆调整十字槽或丝杆调整方孔；在测试壳体4的顶端面且位于丝杆调整单元6正上方的位置设置有丝杆调整工具穿入孔7。当需要模拟某种类型的地面参数时，计算得到每个测试壳体的高度值，然后，使用十字头电钻8等工具穿过丝杆调整工具穿入孔而作用于丝杆调整十字槽或方孔上，通过电钻驱动丝杆进行顺时针或逆时针旋转，丝杆旋转力作用于丝杆螺母，从而给予测试壳体垂直向上或向下的作用力，最终实现测试壳体的上升或下降运动，并且，这种上升或下降是连续可调的。由于在测试壳体的顶端所开设的丝杆调整工具穿入孔7的孔径非常小，因此，不会影响模拟路面的测试性能。当然，对于需要精细模拟路面的场合，也可以设置穿入孔盖；穿入孔盖置于丝杆调整工具穿入孔的孔内。通过穿入孔盖，保证测试壳体上表面的光滑性，提高测试效果。

(2)自动驱动结构形式

本例为采用电机自动驱动丝杆旋转的示例。

每个测试单元2还包括驱动电机；驱动电机内置于固定套管3.3中，驱动电机与丝杆3.1的底端联动，用于驱动丝杆3.1进行顺时针或逆时针旋转。

还包括总控制器；总控制器分别与各个测试单元2的驱动电机连接，通过总控制器自动控制驱动电机旋转。下面介绍一种基于总控制器的测试方法，包括以下步骤：

S1，将n个测试单元2排列固定于承载基础1上，使相邻测试单元2的测试壳体4紧密接触；其中，n为自然数；

S2，在承载基础1所在平面建立二维直角坐标系，得到每个测试单元2的位置坐标；

S3，配置总控制器的初始参数；包括：n个测试单元2的位置坐标、每个测试单元2的测试壳体4的横截面的长度值和宽度值、前次模拟得到的路面参数、以及本次需要模拟的路面参数；

S4，总控制器基于初始参数，计算得到每个测试单元1的理想距离调整值，并根据理想距离调整值，分别生成与每个测试单元2唯一对应的控制指令；其中，控制指令包括驱动电机ID、驱动电机转动方向和驱动电机转动次数；理想距离调整值包括理想距离上升值或理想距离下降值；

S5，总控制器将每个控制指令发送给对应的测试单元2的驱动电机，使驱动电机按转动次数进行顺时针或逆时针转动；其中，在驱动电机转动时，驱动电机带动丝杆3.1转动，丝杆3.1的转动运动转化为丝杆螺母3.2进行上升或下降的直线运动，而由于丝杆螺母3.2与测试壳体4固定连接，因此，丝杆螺母3.2的上升或下降运动即为测试壳体4的上升或下降运动，由此实现各个测试单元2的测试壳体4上升或下降到所需的距离，则各个测试壳体4的上表面拼接为满足本次需要模拟的路面参数的模拟路面。

本发明还提供一种地形变换与可重构综合测试方法，包括以下步骤：

S1，构建地形曲面数学模型；

S2，每个测试单元2的测试壳体4截面为矩形，设其长度值为A0，宽度值为B0；

S3，选取A*B场地范围，即：该场地的长度值为A，宽度值为B；在场地布置m*n个测试单元，组成测试单元阵列；其中，m＝A/A0；n＝B/B0；

S4，在场地建立笛卡尔坐标系X-Y-Z；其中，X轴和Y轴为在水平面相互垂直的坐标轴；Z轴为铅垂线；

S5，获得m*n个测试单元在笛卡尔坐标系中的水平面位置坐标X，Y；将m*n个测试单元的水平面位置坐标以及需要重构的地形曲面参数输入地形曲面数学模型，地形曲面数学模型经运算，得到每个测试单元的理想高度值Z1；

S6，根据每个测试单元的理想高度值Z1，获得相应测试单元的当前实际高度值Z2，然后调整各个测试单元的实际高度值，使其升降至趋于理想高度值Z的位置，因此，升降至不同高度的测试单元的上表面变换或重构为需模拟的地形曲面。本步骤中，获得相应测试单元的当前实际高度值的获取方式可以为：刻度标定方式、激光测量方式、电磁波测量方式，也可以在每个测试单元的顶部安装微型的位移传感器，通过位移传感器自动测量得到测试单元的实际高度值。本发明对测试单元实际高度值的具体测量方式并不限制。

之后，还包括：

S7，检测到调整后的测试单元的实际高度值Z3；

然后，判断检测得到的实际高度值Z3与理想高度值Z1的偏差是否在可容许范围内，如果在，则表明各个测试单元高度调整情况符合预期，结束对该测试单元的高度进行进一步调整；如果不在，则执行S8；

S8，进一步对测试单元的实际高度值进行调整，如此不断循环，直到调整后的实际高度值与理想高度值Z1的偏差在可容许范围内。使各个测试单元上表面所拼接形成的地形曲面不断逼近于需要模拟的地形曲面。

本发明中，根据所建立的曲面函数模型，通过选取测试壳体位置坐标(X、Y)，计算获取测试单元高度(Z)，对各种测试单元高度的灵活调整，可模拟或重构出各种复杂地形和路面，提供测试智能行进体和非智能行进体在不同地形和路面条件下行动能力的装置。例如，如图8所示，为模拟垂直障碍型不平整路面的效果图；如图9所示，为模拟水平壕沟型不平整路面的效果图；如图10所示，为模拟凸岭型不平整路面的效果图；如图11所示，为模拟路沟型不平整路面的效果图；如图12所示，为模拟弹坑型不平整路面的效果图；如图13所示，为模拟复杂路面型不平整路面的效果图。当然，根据实际需求，可灵活组合出各类复杂路面，图8-图13仅为具体的示例。

由此可见，本发明提供的地形变换与可重构综合测试装置及测试方法具有以下优点：

(1)在构建具有一定规模的测试装置后，只需要利用根据地形特征建立的曲面函数模型，调整各个测试单元的高度，即可得到具有不同曲面特征，以及不同平整度、坡度、倾斜度、沟堑、弯道、台阶、沟壑等特征的模拟地形和路面，而不需要重新构建测试装置，提高了测试装置的通用性，节约了测试场地和测试资金；

(2)每个测试单元均固定于承载基础上，有效达到对测试单元的固定作用，提高测试单元的连接性能，防止在对智能行进体进行测试时，测试单元发生水平移位，因此，提高了对不平整路面的模拟能力；

(3)通过调节测试壳体的高度，可变换和重构各种典型地形环境，为地面移动机器人、汽车模型、其它地面移动体的通过性能、越障性能、抗倾覆能力等的测试，提供不同的、可调整的地形和路面环境条件，且这种调整既可以具有连续性，也可以不具有连续性。该装置还可为计算机路面环境仿真设计提供模型和检验依据。

(4)为一种简便、定型、而且灵活可调的智能行进体地形变换与可重构综合测试装置，具有固定的测试指标，能够量化智能行进体和非智能行进体的综合行动能力；而且，可根据实际测试需求，灵活调整测试设备对

行进体和非智能行进体行动能力的测试复杂难度，满足对智能行进体行动能力的测试需求。

(5)变换、重构后的地形和路面基础数据，可通过刻度标识装置、激光测量装置、电磁波测量装置、位移传感等等予以记录和检验。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于地形变换与可重构综合测试装置的地形变换与可重构综合测试方法，其特征在于，地形变换与可重构综合测试装置包括承载基础(1)和排列固定于所述承载基础(1)的多个测试单元(2)；

每个所述测试单元(2)均包括测试壳体(4)以及用于调节所述测试壳体(4)高低位置的调节机构；所述测试壳体(4)的横截面为多边形，相邻所述测试壳体(4)的侧面之间紧密接触，各个所述测试壳体(4)的上表面拼接为模拟地形和路面；

地形变换与可重构综合测试方法，包括以下步骤：

S1，构建地形曲面数学模型；

S2，每个测试单元(2)的测试壳体(4)截面为矩形，设其长度值为A0，宽度值为B0；

S3，选取A*B场地范围，即：该场地的长度值为A，宽度值为B；在所述场地布置m*n个测试单元，组成测试单元阵列；其中，m＝A/A0；n＝B/B0；

S4，在所述场地建立笛卡尔坐标系X-Y-Z；其中，X轴和Y轴为在水平面相互垂直的坐标轴；Z轴为铅垂线；

S5，获得所述m*n个测试单元在所述笛卡尔坐标系中的水平面位置坐标(X，Y)；将所述m*n个测试单元的水平面位置坐标以及需要重构的地形曲面参数输入所述地形曲面数学模型，所述地形曲面数学模型经运算，得到每个所述测试单元的理想高度值Z1；

S6，根据每个所述测试单元的理想高度值Z1，获得相应测试单元的当前实际高度值Z2，然后调整各个测试单元的实际高度值，使其升降至趋于理想高度值Z的位置，因此，升降至不同高度的测试单元的上表面变换或重构为需模拟的地形曲面；

其中，S6中，当调整各个测试单元的实际高度，使其升降至趋于理想高度值Z的位置之后，还包括：

S7，检测到调整后的测试单元的实际高度值Z3；

然后，判断检测得到的实际高度值Z3与理想高度值Z1的偏差是否在可容许范围内，如果在，则表明各个测试单元高度调整情况符合预期，结束对该测试单元的高度进行进一步调整；如果不在，则执行S8；

S8，进一步对测试单元的实际高度值进行调整，如此不断循环，直到调整后的实际高度值与理想高度值Z1的偏差在可容许范围内；

此外，S6中，通过以下方式获得相应测试单元的当前实际高度值Z2：刻度标定方式、激光测量方式、电磁波测量方式和位移传感器测量方式。

2.根据权利要求1所述的基于地形变换与可重构综合测试装置的地形变换与可重构综合测试方法，其特征在于，所述测试壳体(4)的横截面为矩形。

3.根据权利要求1所述的基于地形变换与可重构综合测试装置的地形变换与可重构综合测试方法，其特征在于，所述调节机构为高度连续调节机构或高度非连续调节机构。

4.根据权利要求3所述的基于地形变换与可重构综合测试装置的地形变换与可重构综合测试方法，其特征在于，所述高度连续调节机构为丝杆螺母副调节机构或滑杆调节机构。

5.根据权利要求4所述的基于地形变换与可重构综合测试装置的地形变换与可重构综合测试方法，其特征在于，所述高度连续调节机构为自动驱动调节机构或非自动驱动调节机构。

6.根据权利要求5所述的基于地形变换与可重构综合测试装置的地形变换与可重构综合测试方法，其特征在于，所述自动驱动调节机构包括驱动源；通过所述驱动源驱动所述测试壳体(4)进行上升或下降运动；

其中，所述驱动源包括液压驱动源、电机阵列驱动源、人工动力驱动源。

7.根据权利要求3所述的基于地形变换与可重构综合测试装置的地形变换与可重构综合测试方法，其特征在于，所述高度非连续调节机构为插杆和插孔配合式调节机构。

8.根据权利要求1所述的基于地形变换与可重构综合测试装置的地形变换与可重构综合测试方法，其特征在于，还包括：用于限制各个所述测试壳体(4)倾斜的固定围板(5)；所述固定围板(5)的底端与所述承载基础(1)的外围固定连接。