CN111605729A - 星球探测车车轮主动跟随控制方法、系统及星球探测车 - Google Patents

星球探测车车轮主动跟随控制方法、系统及星球探测车 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种星球探测车车轮主动跟随控制方法、控制系统及星球探测车,涉及机器人控制技术领域。其中星球探测车车轮主动跟随控制方法，包括下述步骤：任选所述星球探测车的一个或多个车轮作为支撑轮，调整所述支撑轮的转速，使所述支撑轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd，以减小所述支撑轮对所述星球探测车的驱动力及阻力，使所述支撑轮用于对所述星球探测车车体提供支持力。通过采用本方法，使支撑轮仅对车体提供支持力，在增加车轮数量、降低车轮平均负载的情况下，减小各车轮之间的内力对抗，保证星球探测车具有较高的移动效率。

Description

星球探测车车轮主动跟随控制方法、系统及星球探测车
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，具体而言，涉及一种星球探测车车轮主动跟随控制方法、控制系统及星球探测车。
背景技术
轮式移动机器人被广泛用于月球、火星等天体的探测，这些天体表面松软崎岖的地形对轮式移动系统提出了巨大的挑战。增加车轮数量可以降低车轮平均负载，减小车轮沉陷和滑转，但会引出多轮移动机器人的冗余控制与能源消耗问题。当星球探测车的车轮处于不同的地形时，各个车轮的运动状态不同，从而产生较大的内力对抗，导致星球探测车移动效率下降。因此，驱动轮之间的协调控制是充分发挥星球探测车牵引能力和节省能源的一个重要问题。
目前，实现驱动轮之间协调控制的方法为根据轮-地之间的相互作用，建立星球探测车的运动学模型，实现基于最优车轮滑转率的协调控制。这种方法不仅存在建立准确模型的难题，并且为了提高星球探测车的牵引能力而忽视了因车轮间内力对抗而产生的能耗问题，导致轮式移动机器人的驱动轮能耗较高。
发明内容
本发明解决的问题是在增加车轮数量、降低车轮平均负载的情况下，减小各车轮之间的内力对抗，保证星球探测车具有较高效率。
为解决上述问题，本发明提供一种星球探测车车轮主动跟随控制方法，所述方法包括：任选所述星球探测车的一个或多个车轮作为支撑轮，调整所述支撑轮的转速，使所述支撑轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd，以减小所述支撑轮对所述星球探测车的驱动力及阻力，使所述支撑轮用于对所述星球探测车车体提供支持力。
进一步地，所述方法还包括：调整所述支撑轮的转角，使所述支撑轮的实时侧向力Fy趋近于目标侧向力Fyd。
进一步地，所述目标挂钩牵引力Fxd、所述目标侧向力Fyd均为零。
进一步地，在调整所述支撑轮的转速，使所述实时挂钩牵引力Fx趋近于所述目标挂钩牵引力Fxd的过程中，包括：首先判断所述实时挂钩牵引力Fx是否小于所述目标挂钩牵引力Fxd，如果是，则使所述支撑轮的转速增加，直至所述实时挂钩牵引力Fx趋近于所述目标挂钩牵引力Fxd；如果否，则使所述支撑轮的转速减小，直至所述实时挂钩牵引力Fx趋近于所述目标挂钩牵引力Fxd。
进一步地，在调整所述支撑轮的转角，使所述实时侧向力Fy趋近于所述目标侧向力Fyd的过程中，包括：首先判断所述实时侧向力Fy和所述目标侧向力Fyd是否相等，如果否，则调整所述支撑轮的转角，直至所述实时侧向力Fy接近所述目标侧向力Fyd，如果是，则过程结束。
一种采用上述方法的星球探测车车轮控制系统，包括控制模块、信息采集模块，
所述信息采集模块用于采集所述支撑轮的实时挂钩牵引力Fx，并将采集的所述实时挂钩牵引力Fx传输至所述控制模块，
所述控制模块用于将所述实时挂钩牵引力Fx与目标挂钩牵引力Fxd比较，并根据比较结果控制所述支撑轮的转速，以使所述支撑轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于所述目标挂钩牵引力Fxd，以减小所述支撑轮对所述星球探测车的驱动力及阻力，使所述支撑轮用于对所述星球探测车车体提供支持力。
进一步地，所述信息采集模块还用于采集所述支撑轮的实时侧向力Fy，并将采集的所述实时侧向力Fy传输至所述控制模块，
所述控制模块用于将所述实时侧向力Fy与目标侧向力Fyd相比较，并根据所述实时侧向力Fy与所述目标侧向力Fyd的比较结果控制所述支撑轮的角度，使所述支撑轮的实时侧向力Fy趋近于所述目标侧向力Fyd，以减小所述支撑轮对所述星球探测车的驱动力及阻力，使所述支撑轮用于对所述星球探测车车体提供支持力。
进一步地，所述控制模块包括工控机、驱动电机及转向电机，所述驱动电机及所述转向电机的一端均与所述工控机连接，所述驱动电机及所述转向电机的另一端均与所述支撑轮连接，所述工控机用于将所述实时挂钩牵引力Fx与所述目标挂钩牵引力Fxd相比较，将所述实时侧向力Fy与所述目标侧向力Fyd相比较，并根据比较结果通过所述驱动电机控制所述支撑轮的转速，通过所述转向电机控制所述支撑轮的角度。
进一步地，所述工控机根据所述实时挂钩牵引力Fx与所述目标挂钩牵引力Fxd的比较结果将所述支撑轮的目标转速传输至所述驱动电机，通过所述驱动电机控制所述支撑轮获得目标转速，所述工控机根据所述实时侧向力Fy与所述目标侧向力Fyd的比较结果，将目标转角传输至所述转向电机，通过所述转向电机控制所述支撑轮的角度。
进一步地，所述信息采集模块包括力传感器，所述力传感器设置于所述支撑轮的轮轴上。
进一步地，所述信息采集模块还包括第一编码器、第二编码器，所述控制模块还连接有显示模块，所述第一编码器、所述第二编码器均设置于所述支撑轮的轮轴上，所述第一编码器用于采集所述支撑轮的转速信息，并将所述转速信息经所述控制模块传输至所述显示模块，所述第二编码器用于采集所述支撑轮的角度信息，并将所述角度信息经所述控制模块传输至所述显示模块。
一种星球探测车，包括上述星球探测车车轮控制系统。
由于通过调整支撑轮的转速，使支撑轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd，支撑轮主要用于对车体提供支持力，支撑轮对车体运动产生的驱动力及阻力很小，在增加车轮数量、降低车轮平均负载的情况下，减小各车轮之间的内力对抗，保证星球探测车具有较高的移动效率。
附图说明
图1为本发明星球探测车车轮主动跟随控制方法中调整支撑轮转速的流程图；
图2为本发明星球探测车车轮主动跟随控制方法中调整支撑轮转角的流程图；
图3为本发明星球探测车车轮控制系统的结构图；
图4为三轮星球探测车的支撑轮的受力分析示意图；
图5为三轮星球探测车的支撑轮与车体之间的内力和垂直方向上的内力矩分析示意图。
图6a为采用本发明星球探测车车轮主动跟随控制方法得到的支撑轮的速度曲线图；
图6b为采用本发明星球探测车车轮主动跟随控制方法得到的支撑轮的角度曲线图；
图6c为采用本发明星球探测车车轮主动跟随控制方法得到的支撑轮的挂钩牵引力曲线图；
图6d为采用本发明星球探测车车轮主动跟随控制方法得到的支撑轮的侧向力曲线图；
图6e为采用本发明星球探测车车轮主动跟随控制方法得到的支撑轮与车体之间的内力曲线图；
图6f为采用本发明星球探测车车轮主动跟随控制方法得到的支撑轮与车体之间的内力矩曲线图。
附图标记说明：
11-控制模块；111-工控机；112-驱动电机；113-转向电机；12-信息采集模块；13-显示模块。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“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。
本发明实施例一种星球探测车车轮主动跟随控制方法，该方法包括：
调整支撑轮的转速，使支撑轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd，以减小所述支撑轮对所述星球探测车的驱动力及阻力，使所述支撑轮用于对所述星球探测车车体提供支持力。具体地，上述支撑轮可以是星球探测车的任意一个车轮或任意几个车轮，星球探测车上还设置有除上述车轮之外的驱动轮、从动轮。目标挂钩牵引力Fxd取趋近于零的值，目标挂钩牵引力Fxd的取值越接近于零，在支撑轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd的条件下，支撑轮对车体运动产生的驱动力及阻力越小。由于支撑轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd，支撑轮的主要作用在于对车体提供支持力，支撑轮对车体运动产生的驱动力及阻力很小，该支撑轮定义为伪从动轮，在增加车轮数量、降低车轮平均负载的情况下，减小各车轮之间的内力对抗，保证星球探测车具有较高的移动效率。并且由于支撑轮受到的实时挂钩牵引力Fx与星球探测车车体的速度相关，通过上述方法使支撑轮主动跟随星球探测车车体运动。
进一步地，该方法还包括：调整支撑轮的转角，使支撑轮的实时侧向力Fy趋近于目标侧向力Fyd，以减小所述支撑轮对所述星球探测车的驱动力及阻力，使所述支撑轮用于对所述星球探测车车体提供支持力。具体地，调整支撑轮的转角，使支撑轮的实时侧向力Fy趋近于目标侧向力Fyd可以在上述调整支撑轮的转速，使支撑轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd之前或之后。目标侧向力Fyd取趋近于零的值，目标侧向力Fyd的取值越接近于零，在支撑轮的实时侧向力Fy趋近于目标侧向力Fyd的条件下，支撑轮对车体运动产生的驱动力及阻力越小。由于支撑轮的实时侧向力Fy趋近于目标侧向力Fyd，进一步减小支撑轮对车体运动产生的驱动力及阻力，在增加车轮数量、降低车轮平均负载的情况下，进一步减小各车轮之间的内力对抗，保证星球探测车具有较高的移动效率。并且由于支撑轮受到的实时侧向力Fy与星球探测车车体的速度相关，通过上述方法使支撑轮主动跟随星球探测车车体运动。
进一步地，目标挂钩牵引力Fxd、目标侧向力Fyd均为零。由于目标挂钩牵引力Fxd、目标侧向力Fyd均为零，支撑轮的实时挂钩牵引力Fx及实时侧向力Fy均趋近于零，使支撑轮仅对车体提供支持力，对车体运动不产生驱动力及阻力，在增加车轮数量、降低车轮平均负载的情况下，各车轮之间不产生内力对抗，保证星球探测车具有较高的移动效率。
进一步地，如图1所示，在调整支撑轮的转速，使实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd的过程中，具体包括：
步骤S1：判断实时挂钩牵引力Fx是否小于目标挂钩牵引力Fxd，如果是，表明支撑轮受到星球表面的推土阻力作用，进行步骤S2，如果否，表明支撑轮受到星球表面的推土拉力作用，则进行步骤S3；
步骤S2：使支撑轮转速增加，滑转率增加，星球表面的土壤形变量增加，土壤剪切应力增加，牵引力增加，支撑轮受到的推土阻力减小，实时挂钩牵引力Fx增大，再次判断实时挂钩牵引力Fx是否小于目标挂钩牵引力Fxd，如果是，则继续使支撑轮转速增加，直至支撑轮的实时挂钩牵引力Fx接近目标挂钩牵引力Fxd；
步骤S3：使支撑轮的转速减小，滑转率减小，星球表面的土壤形变量减小，土壤剪切应力减小，牵引力减小，支撑轮受到的推土拉力减小，实时挂钩牵引力Fx减小，再次判断实时挂钩牵引力Fx是否小于目标挂钩牵引力Fxd，如果否，则继续使支撑轮转速减小，直至实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd。
进一步地，如图2所示，在调整支撑轮的转角，使实时侧向力Fy趋近于目标侧向力Fyd的过程中，具体包括：
步骤S4：先判断实时侧向力Fy和目标侧向力Fyd是否相等，如果是，则过程结束，如果否，则进行步骤S5；
步骤S5：调整支撑轮的转角，再次判断实时侧向力Fy和目标侧向力Fyd是否相等，如果否，则继续调整支撑轮的转角，直至实时侧向力Fy接近目标侧向力Fxd。
由于支撑轮受到的实时挂钩牵引力Fx、实时侧向力Fy与星球探测车车体的速度相关，通过上述方法使支撑轮主动跟随星球探测车车体运动，在增加车轮数量、降低车轮平均负载的情况下，各车轮之间不产生内力对抗，保证星球探测车具有较高的移动效率。
本发明实施例一种星球探测车车轮控制系统，如图3所示，包括控制模块11、信息采集模块12，信息采集模块12用于采集支撑轮的实时挂钩牵引力Fx，并将采集的实时挂钩牵引力Fx传输至控制模块11，控制模块11用于将实时挂钩牵引力Fx与目标挂钩牵引力Fxd比较，并根据比较结果控制支撑轮的转速，使支撑轮的转速增大或减小，以使支撑轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd。本发明星球探测车车轮控制系统，由于控制模块11根据比较结果控制支撑轮的转速，使支撑轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd，支撑轮主动跟随星球探测车的运动，从而解除了多轮星球探测车的冗余控制；并且无需建模，避免了复杂的建模过程，控制过程简单；减小支撑轮对车体产生的驱动力或阻力作用，使支撑轮主要用于对车体产生支持力，在增加车轮数量、降低车轮平均负载的情况下，减小各车轮之间的内力对抗，保证星球探测车具有较高的移动效率。
进一步地，信息采集模块12还用于采集支撑轮的实时侧向力Fy，并将采集的实时侧向力Fy传输至控制模块11，控制模块11内预先存储有目标侧向力Fyd，控制模块11用于将实时侧向力Fy与目标侧向力Fyd相比较，并根据比较结果控制支撑轮的角度，使支撑轮的实时侧向力Fy趋近于目标侧向力Fyd。由于控制模块11控制支撑轮的角度使支撑轮的实时侧向力Fy趋近于目标侧向力Fyd，进一步减小支撑轮对车体运动产生的驱动力及阻力，在增加车轮数量、降低车轮平均负载的情况下，进一步减小各车轮之间的内力对抗，保证星球探测车具有较高的移动效率。
具体地，控制模块11包括工控机111、驱动电机112及转向电机113，工控机111中采用ADRC自抗扰控制器，驱动电机112及转向电机113的一端均与工控机111连接，驱动电机112及转向电机113的另一端均与支撑轮连接，驱动电机112设置为速度模式，转向电机113设置为位置模式，工控机111内预先存储有目标挂钩牵引力Fxd及目标侧向力Fyd，工控机111用于将实时挂钩牵引力Fx与目标挂钩牵引力Fxd相比较，并根据比较结果将支撑轮的目标转速传输至驱动电机112，通过驱动电机112控制支撑轮获得目标转速，使支撑轮的转速增大或减小，支撑轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd；工控机111还用于将实时侧向力Fy与目标侧向力Fyd相比较，并根据比较结果将目标转角传输至转向电机113，通过转向电机113控制支撑轮的角度，改变支撑轮与初始位置即绝对零点的角度，使支撑轮的实时侧向力Fy趋近于目标侧向力Fyd。
进一步地，信息采集模块12包括力传感器，力传感器设置于支撑轮的轮轴上，力传感器采集实时侧向力及实时挂钩牵引力，并将采集的实时侧向力及实时挂钩牵引力传输至控制模块11。具体地，信息采集模块12采用三维力传感器或六维力传感器。
进一步地，控制模块11还连接有显示模块13，信息采集模块12还包括第一编码器、第二编码器，第一编码器、第二编码器均设置于支撑轮的轮轴上，第一编码器采集支撑轮的转速信息，第二编码器采集支撑轮的角度信息，该角度信息是支撑轮相对于起始朝向的转向角度信息，并将转速信息、角度信息经控制模块11传输至显示模块13。具体地，显示模块13采用液晶显示器，第一编码器、第二编码器采用绝对值编码器，每次电机启动时支撑轮所处的位置即为绝对零点。通过设置显示模块13，能够更直观地获得支撑轮的实时转速及转角值，掌握星球探测车的运转状态。
本发明实施例一种星球探测车，包括上述的星球探测车车轮控制系统。由于星球探测车支撑轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd，支撑轮主要用于对星球探测车车体提供支持力，支撑轮对车体运动产生的驱动力及阻力较小，在增加车轮数量、降低车轮平均负载的情况下，减小星球探测车各车轮之间的内力对抗，保证星球探测车具有较高的移动效率。
以三轮星球探测车为例，三轮星球探测车的支撑轮的受力如图4所示，支撑轮与车体间的内力和垂直方向上的内力矩如图5所示。三轮星球探测车的支撑轮的内力和内力矩的计算方程为：
Figure BDA0002526652830000081
设定车体速度为55mm/s，基于本发明星球探测车车轮主动跟随控制方法得到的支撑轮的速度、角度、牵引力、侧向力、支撑轮与星球探测车车体之间的内力、支撑轮与星球探测车车体之间的内力矩的控制结果分别如图6a、6b、6c、6d、6e、6f所示，其中实线为本发明星球探测车支撑轮控制方法的控制结果，虚线为模型控制方法的控制结果，支撑轮的速度由第一编码器采集获得、角度由第二编码器采集获得、牵引力及侧向力由力传感器采集获得，支撑轮的挂钩牵引力和侧向力经上述公式计算获得，由图6c、图6d、图6e、图6f可见，支撑轮的挂钩牵引力、侧向力趋近于零，支撑轮与车体之间的内力和内力矩也趋近于零，消除了支撑轮和车体之间的内力对抗，车轮通过此控制方法仅起到支持作用，从而实现车轮之间协调控制和节约能源的目的。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种星球探测车车轮主动跟随控制方法，其特征在于，所述方法包括：
任选所述星球探测车的一个或多个车轮作为支撑轮，调整所述支撑轮的转速，使所述支撑轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd，以减小所述支撑轮对所述星球探测车的驱动力及阻力，使所述支撑轮用于对所述星球探测车车体提供支持力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
调整所述支撑轮的转角，使所述支撑轮的实时侧向力Fy趋近于目标侧向力Fyd，以减小所述支撑轮对所述星球探测车的驱动力及阻力，使所述支撑轮用于对所述星球探测车车体提供支持力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述目标挂钩牵引力Fxd、所述目标侧向力Fyd均为零。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在调整所述支撑轮的转速，使所述实时挂钩牵引力Fx趋近于所述目标挂钩牵引力Fxd的过程中，包括：首先判断所述实时挂钩牵引力Fx是否小于所述目标挂钩牵引力Fxd，如果是，则使所述支撑轮的转速增加，直至所述实时挂钩牵引力Fx趋近于所述目标挂钩牵引力Fxd；如果否，则使所述支撑轮的转速减小，直至所述实时挂钩牵引力Fx趋近于所述目标挂钩牵引力Fxd。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
在调整所述支撑轮的转角，使所述实时侧向力Fy趋近于所述目标侧向力Fyd的过程中，包括：首先判断所述实时侧向力Fy和所述目标侧向力Fyd是否相等，如果否，则调整所述支撑轮的转角，直至所述实时侧向力Fy接近所述目标侧向力Fyd，如果是，则过程结束。
6.一种采用上述权利要求1-5任一所述的方法的星球探测车车轮控制系统，其特征在于，
包括控制模块(11)、信息采集模块(12)，
所述信息采集模块(12)用于采集所述支撑轮的实时挂钩牵引力Fx，并将采集的所述实时挂钩牵引力Fx传输至所述控制模块(11)，
所述控制模块(11)用于将所述实时挂钩牵引力Fx与目标挂钩牵引力Fxd比较，并根据比较结果控制所述支撑轮的转速，以使所述支撑轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于所述目标挂钩牵引力Fxd，以减小所述支撑轮对所述星球探测车的驱动力及阻力，使所述支撑轮用于对所述星球探测车车体提供支持力。
7.根据权利要求6所述的星球探测车车轮控制系统，其特征在于，
所述信息采集模块(12)还用于采集所述支撑轮的实时侧向力Fy，并将采集的所述实时侧向力Fy传输至所述控制模块(11)，
所述控制模块(11)用于将所述实时侧向力Fy与目标侧向力Fyd相比较，并根据所述实时侧向力Fy与所述目标侧向力Fyd的比较结果控制所述支撑轮的角度，使所述支撑轮的实时侧向力Fy趋近于所述目标侧向力Fyd，以减小所述支撑轮对所述星球探测车的驱动力及阻力，使所述支撑轮用于对所述星球探测车车体提供支持力。
8.根据权利要求7所述的星球探测车车轮控制系统，其特征在于，
所述控制模块(11)包括工控机(111)、驱动电机(112)及转向电机(113)，所述驱动电机(112)及所述转向电机(113)的一端均与所述工控机(111)连接，所述驱动电机(112)及所述转向电机(113)的另一端均与所述支撑轮连接，所述工控机(111)用于将所述实时挂钩牵引力Fx与所述目标挂钩牵引力Fxd相比较，将所述实时侧向力Fy与所述目标侧向力Fyd相比较，并根据比较结果通过所述驱动电机(112)控制所述支撑轮的转速，通过所述转向电机(113)控制所述支撑轮的角度。
9.根据权利要求8所述的星球探测车车轮控制系统，其特征在于，
所述工控机(111)根据所述实时挂钩牵引力Fx与所述目标挂钩牵引力Fxd的比较结果将所述支撑轮的目标转速传输至所述驱动电机(112)，通过所述驱动电机(112)控制所述支撑轮获得目标转速，所述工控机(111)根据所述实时侧向力Fy与所述目标侧向力Fyd的比较结果，将目标转角传输至所述转向电机(113)，通过所述转向电机(113)控制所述支撑轮的角度。
10.根据权利要求6所述的星球探测车车轮控制系统，其特征在于，
所述信息采集模块(12)包括力传感器，所述力传感器设置于所述支撑轮的轮轴上。
11.根据权利要求6所述的星球探测车车轮控制系统，其特征在于，
所述信息采集模块(12)还包括第一编码器、第二编码器，所述控制模块(11)还连接有显示模块(13)，所述第一编码器、所述第二编码器均设置于所述支撑轮的轮轴上，所述第一编码器用于采集所述支撑轮的转速信息，并将所述转速信息经所述控制模块(11)传输至所述显示模块(13)，所述第二编码器用于采集所述支撑轮的角度信息，并将所述角度信息经所述控制模块(11)传输至所述显示模块(13)。
12.一种星球探测车，其特征在于，包括上述权利要求6-11任一所述的星球探测车车轮控制系统。
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