CN111717416B - 一种星球探测车导向轮的控制方法及控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种星球探测车导向轮的控制方法及控制系统，涉及机器人控制技术领域，所述方法包括：在调整所述导向轮的转速的过程中，根据所述导向轮的实际受力状态判断所述星球探测车是否处于崎岖地形，根据所述判断结果控制所述导向轮在运动方向及侧向的动力输出，以使所述导向轮对运行在所述崎岖地形的所述星球探测车具有驱动力，所述星球探测车车体的轨迹跟踪能力提高。由于当导向轮处于崎岖地形时，减小导向轮的侧向动力输出，能够防止星球探测车车体偏离轨迹，增加导向轮在复杂地形上的驱动能力，进而提高星球探测车车体轨迹跟踪的精度。

Description

一种星球探测车导向轮的控制方法及控制系统
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导向轮的控制方法及控制系统。
背景技术
轮式移动机器人用于月球、火星等天体的探测时，由于天体表面地形松软崎岖，容易造成车轮沉陷和滑转。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。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。
为同时满足车轮在复杂地形上对机器人提供足够的驱动力，与在平坦地形上优化运动的能源消耗，在伪从动轮控制方式的基础上，实施一种新的控制策略是亟待解决的问题。
发明内容
本发明解决的问题是在复杂地形条件下提高星球探测车车体的轨迹跟踪能力。
为解决上述问题，本发明提供一种星球探测车导向轮的控制方法，所述方法包括：
选择所述星球探测车的一个或多个车轮作为导向轮，调整所述导向轮的转速，使所述导向轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd，以减小所述导向轮对所述星球探测车的驱动力及阻力，使所述导向轮用于对所述星球探测车的车体提供支持力，
在调整所述导向轮的转速的过程中，根据所述导向轮的实际受力状态判断所述星球探测车是否处于崎岖地形，根据所述判断结果控制所述导向轮在运动方向及侧向的动力输出，以使所述导向轮对运行在所述崎岖地形的所述星球探测车具有驱动力，所述星球探测车车体的轨迹跟踪能力提高。
进一步地，所述驱动力包括沿所述星球探测车运动方向的挂钩牵引力及垂直于所述运动方向的侧向力。
进一步地，根据所述导向轮的实际受力状态判断所述星球探测车是否处于崎岖地形，根据所述判断结果控制所述导向轮在运动方向及侧向的动力输出的过程中，包括：
步骤S1：判断所述星球探测车是否在转向，如果是则进行步骤S2,如果否则进行步骤S3，
步骤S2：判断所述星球探测车是否处于上下坡状态，如果否，则进行步骤S4，如果是，则进行步骤S6，
步骤S4:增大所述导向轮的挂钩牵引力输出，
步骤S6：判断所述星球探测车是否处于上坡状态，如果是，则进行步骤S4，如果否，则进行步骤S8，
步骤S8：减小所述导向轮的所述挂钩牵引力输出，
步骤S3：判断所述星球探测车是否处于凹凸不平路面，如果是，则进行步骤S5，如果否，则进行步骤S7,
步骤S5:减小所述导向轮的侧向力输出，
步骤S7：增大所述导向轮的所述侧向力输出。
进一步地，在所述步骤S2中判断所述星球探测车是否处于上下坡状态的过程中，如果所述导向轮的所述实时挂钩牵引力Fx的变化不平稳，则所述星球探测车处于上下坡状态，否则不处于上下坡状态。
进一步地，在所述步骤S6中，判断所述星球探测车是否处于上坡状态的过程中，判断所述导向轮的所述实时挂钩牵引力Fx的幅度变化的均值是否为正，如果为正，则所述星球探测车处于上坡状态，否则处于下坡状态。
进一步地，在所述步骤S3中判断所述星球探测车是否处于凹凸不平路面的过程中，如果所述导向轮的实时侧向力Fy的变化不平稳，则所述导向轮处于凹凸不平路面，否则不处于凹凸不平路面。
本发明还提供一种星球探测车导向轮控制系统，
包括控制模块，所述控制模块采用上述的方法进行控制。
进一步地，还包括信息采集模块，所述信息采集模块用于采集所述导向轮的受力信息，并将采集的所述受力信息传输至所述控制模块，
所述控制模块用于分析所述受力信息，并根据分析结果控制所述导向轮的动力输出，以使所述导向轮对运行在所述崎岖地形的所述星球探测车具有驱动力，所述星球探测车车体的轨迹跟踪能力提高。
进一步地，所述信息采集模块用于采集所述导向轮的实时侧向力Fy及所述导向轮的实时挂钩牵引力Fx，并将采集的所述实时侧向力Fy及所述实时挂钩牵引力Fx传输至所述控制模块，所述控制模块内存储有所述导向轮的侧向力预设值及挂钩牵引力预设值，所述控制模块将所述实时挂钩牵引力Fx与所述挂钩牵引力预设值进行比较，及将所述实时侧向力Fy与所述侧向力预设值进行比较，根据比较结果对所述导向轮进行控制，以增大或减小所述导向轮的所述实时挂钩牵引力Fx，增大或减小所述导向轮的所述实时侧向力Fy，使所述导向轮对运行在所述崎岖地形的所述星球探测车具有驱动力。
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导向轮连接，所述工控机将所述实时挂钩牵引力Fx与所述挂钩牵引力预设值进行比较，并根据比较结果判断所述实时挂钩牵引力Fx的变化是否平稳，通过所述驱动电机控制所述导向轮的所述实时挂钩牵引力Fx增大或减小。
进一步地，所述工控机将所述实时侧向力Fy与所述侧向力的预设值进行比较，并根据比较结果通过所述转向电机控制所述导向轮的实时侧向力Fy增大或减小。
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导向轮的轮轴上，所述力传感器用于采集所述实时侧向力Fy及所述实时挂钩牵引力Fx，并将采集的所述实时侧向力Fy及所述实时挂钩牵引力Fx传输至所述控制模块。
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导向轮的轮轴上，所述第一编码器用于采集所述导向轮的转速信息，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导向轮的角度信息，并将所述角度信息经所述控制模块传输至所述显示模块。
在调整导向轮的转速，使导向轮用于对星球探测车车体提供支持力的过程中，由于当导向轮处于崎岖地形时，减小导向轮的动力输出，能够防止星球探测车车体偏离轨迹，增加导向轮在复杂地形上的驱动能力，进而提高星球探测车车体轨迹跟踪的精度。
附图说明
图1为三轮星球探测车的伪从动轮的受力分析示意图；
图2为三轮星球探测车的伪从动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3为本发明星球探测车导向轮的控制方法的流程图；
图4为本发明星球探测车导向轮的控制系统的结构图；
图5为采用本发明星球探测车导向轮的控制方法对导向轮进行控制后星球探测车车体的上下坡状态转向运动过程导向轮的线速度的控制结果比较图；
图6为采用本发明星球探测车导向轮的控制方法对导向轮进行控制后星球探测车车体的上下坡状态转向运动过程导向轮的转向角度的控制结果比较图；
图7为采用本发明星球探测车导向轮的控制方法对导向轮进行控制后星球探测车车体的上下坡状态转向运动过程导向轮的实时挂钩牵引力的控制结果比较图；
图8为采用本发明星球探测车导向轮的控制方法对导向轮进行控制后星球探测车车体的上下坡状态转向运动过程导向轮的实时侧向力的控制结果比较图；
图9为采用本发明星球探测车导向轮的控制方法对导向轮进行控制后星球探测车车体的直线凹凸不平表面转向运动过程中导向轮的速度的控制结果；
图10为采用本发明星球探测车导向轮的控制方法对导向轮进行控制后星球探测车车体的直线凹凸不平表面转向运动过程中导向轮的转向角度的控制结果；
图11为采用本发明星球探测车导向轮的控制方法对导向轮进行控制后星球探测车车体的直线凹凸不平表面转向运动过程中导向轮的实时挂钩牵引力的控制结果；
图12为采用本发明星球探测车导向轮的控制方法对导向轮进行控制后星球探测车车体的直线凹凸不平表面转向运动过程中导向轮的实时侧向力的控制结果；
图13为星球探测车导向轮在崎岖地形的受力分析图。
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。
为保证在增加车轮数量、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，采用下述方法对星球探测车车轮进行控制：
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。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1所示，支撑轮与车体间的内力和垂直方向上的内力矩如图2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 GDA0003174787200000061
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，可以在上述转角调整的基础上，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，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。
在上述控制过程中，使支撑轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd，以减小支撑轮对星球探测车的驱动力及阻力，使支撑轮用于对星球探测车车体提供支持力，克服了多轮移动机器人的冗余控制与能源消耗高的问题，实现了驱动轮间的协调控制。
采用上述控制方法的星球探测车在凹凸不平的复杂地形上运动时，对车体的轨迹跟踪能力降低，为此，本发明实施例提供一种星球探测车导向轮的控制方法，该方法包括：
选择星球探测车的一个或多个伪从动轮作为导向轮，该导向轮可以根据星球探测车车体的运动自由驱动，根据导向轮的实际受力状态判断星球探测车是否处于崎岖地形，根据判断结果控制导向轮在运动方向及侧向的动力输出，以使导向轮对运行在崎岖地形的星球探测车具有驱动力，星球探测车车体的轨迹跟踪能力提高。
星球探测车在跟踪直线运动时，在前进方向的动力必须保持全力输出。当星球探测车在平坦地形上直线运动时，导向轮的侧向动力输出可以减少星球探测车各车轮之间的内力对抗，优化能源消耗，矫正车体轨迹偏离。当星球探测车在崎岖地形运动时，导向轮的侧向动力输出、挂钩牵引力输出会导致车体产生更大的侧向力，增加星球探测车的额外运动，使车体偏离轨迹，崎岖地形包括直线的凹凸不平的表面及转弯状态的上下坡表面。当导向轮处于崎岖地形时，减小导向轮的侧向动力输出，能够防止星球探测车车体偏离轨迹，增加导向轮在复杂地形上的驱动能力，进而提高星球探测车车体轨迹跟踪的精度。并且由于导向轮能够感知地形的变化并进行自适应调整，因此不仅增加了星球探测车运动的灵活性，而且在车体即将偏离轨道时能够比人为控制更及时地进行调整，提高星球探测车车体的轨迹跟踪精度。
进一步地，如图3所示，在根据导向轮的实际受力状态判断星球探测车是否处于崎岖地形，根据判断结果控制导向轮在运动方向及侧向的动力输出的过程中，具体包括：
步骤S1：判断星球探测车是否在转向，如果是，则进行步骤S2,如果否，则进行步骤S3，
步骤S2：判断星球探测车是否处于上下坡状态，上下坡状态是崎岖地形的一种，如果否，则进行步骤S4，如果是，则进行步骤S6，
步骤S4:增大导向轮的挂钩牵引力输出，
步骤S6：判断星球探测车是否处于上坡状态，如果是，则进行步骤S4，如果否，则进行步骤S8，
步骤S8：减小导向轮的挂钩牵引力输出，
步骤S3：判断所述星球探测车所处路面是否凹凸不平，凹凸不平的直线路面是崎岖地形的另一种情况，如果是，则进行步骤S5，如果否，则进行步骤S7,
步骤S5:减小导向轮的侧向力输出，
步骤S7：增大导向轮的侧向力输出。
当星球探测车在平坦地形上转向运动时，由于导向轮采用基于力控制的主动跟随控制方式，导致导向轮的动力输出是不柔顺的，此动力输出根据星球探测车车体的状态一直改变。导向轮的侧向动力输出可以减少星球探测车各车轮之间的内力对抗，优化能源消耗，矫正车体轨迹偏离。当星球探测车在转向过程中上坡或下坡时，需要调整导向轮的动力输出，否则，星球探测车的车身容易偏离轨道。因为在转向下坡地形中运动，向导向轮输出较大的功率或在转向上坡地形中向导向轮输出较小的功率都将导致星球探测车车体的额外移动，偏离目标轨迹。当星球探测车处于转向过程中时，上坡状态时增大导向轮的挂钩牵引力，下坡状态时减小导向轮的挂钩牵引力输出能够防止星球探测车车体偏离轨迹，增加导向轮在复杂地形上的驱动能力，进而提高星球探测车车体轨迹跟踪的精度。
当星球探测车在直线的凹凸不平的表面运动时，导向轮的侧向动力输出会导致车体产生更大的侧向力，增加星球探测车的额外运动，使车体偏离轨迹。当导向轮处于直线的凹凸不平的表面时，减小导向轮的侧向动力输出，能够防止星球探测车车体偏离轨迹，增加导向轮在复杂地形上的驱动能力，进而提高星球探测车车体轨迹跟踪的精度。
具体地，在步骤S2中判断星球探测车是否处于上下坡状态的过程中，通过导向轮的实时挂钩牵引力Fx的变化是否平稳来判断，如果实时挂钩牵引力Fx的变化不平稳，则星球探测车处于上下坡状态，否则不处于上下坡状态。通过实时挂钩牵引力Fx的变化是否平稳来判断星球探测车是否处于上下坡状态，判断结果更准确。另外，还可以通过摄像头、雷达获取的路面信息判断星球探测车是否处于上下坡状态。
进一步地，在步骤S6中，判断星球探测车是否处于上坡状态的过程中，判断导向轮的实时挂钩牵引力Fx的幅度变化的均值是否为正，如果为正，则星球探测车处于上坡状态，否则处于下坡状态，当导向轮受到车体的拉力时实时挂钩牵引力Fx为正，当导向轮受到车体的推力时实时挂钩牵引力Fx为负，实时挂钩牵引力Fx的幅度变化的均值为正值在横坐标为导向轮的运动时间、纵坐标为实时挂钩牵引力Fx的坐标系中，大于零的实时挂钩牵引力Fx形成的曲线与实时挂钩牵引力Fx的零线围成的图形的面积大于小于零的实时挂钩牵引力Fx形成的曲线与实时挂钩牵引力Fx的零线围成的图形的面积。另外，还可以通过摄像头、雷达获取的信息判断星球探测车处于上坡状态还是下坡状态。通过导向轮的实时挂钩牵引力Fx的幅度变化是否为正来判断星球探测车处于上坡状态还是下坡状态，判断结果更准确。
具体地，在步骤S3中判断星球探测车是否处于凹凸不平路面的过程中，通过导向轮的实时侧向力Fy的变化是否平稳来判断，如果实时侧向力Fy的变化不平稳，则导向轮处于凹凸不平路面，否则不处于凹凸不平路面。还可以是，通过摄像头、雷达获取的信息判断星球探测车是否处于凹凸不平路面。
本发明实施例一种星球探测车导向轮的控制系统，如图4所示，包括控制模块11、信息采集模块12，信息采集模块12用于采集导向轮的受力信息，并将采集的导向轮的受力信息传输至控制模块11，控制模块11用于分析导向轮的受力信息，并根据分析结果控制导向轮在运动方向及侧向的动力输出，以使导向轮对运行在崎岖地形的星球探测车具有驱动力，星球探测车车体的轨迹跟踪能力提高。本发明星球探测车导向轮的控制系统，由于当导向轮处于崎岖地形时，减小导向轮的动力输出，能够防止星球探测车车体偏离轨迹，增加导向轮在复杂地形上的驱动能力，进而提高星球探测车车体轨迹跟踪的精度，实现星球探测车的主动跟踪控制，并补偿地形变形带来的阻力。
具体地，信息采集模块12用于采集导向轮的实时侧向力Fy及导向轮的实时挂钩牵引力Fx，并将采集的实时侧向力Fy及实时挂钩牵引力Fx传输至控制模块11，控制模块11内存储有导向轮的侧向力的预设值及导向轮的挂钩牵引力预设值，在控制模块11内将导向轮的实时挂钩牵引力Fx与挂钩牵引力预设值进行比较，及将实时侧向力Fy与侧向力预设值进行比较，根据比较结果对导向轮进行控制，以增大或减小导向轮的实时挂钩牵引力Fx，增大或减小导向轮的实时侧向力Fy，使导向轮对运行在崎岖地形的星球探测车具有驱动力。
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的另一端均与导向轮连接，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内预先存储有导向轮的侧向力预设值及导向轮的挂钩牵引力预设值，导向轮的侧向力预设值及导向轮的挂钩牵引力预设值均为零，工控机111将实时挂钩牵引力Fx与挂钩牵引力预设值进行比较，根据比较结果判断实时挂钩牵引力Fx的变化是否平稳，如果实时挂钩牵引力Fx的变化不平稳，则星球探测车处于上下坡状态，进一步通过实时挂钩牵引力Fx的幅度变化的均值是否为正判断星球探测车处于上坡状态还是下坡状态，如果为正，则星球探测车处于上坡状态，工控机111根据该判断结果控制驱动电机112，通过驱动电机112使导向轮的实时挂钩牵引力Fx增大，如果实时挂钩牵引力Fx的幅度变化的均值为负，则星球探测车处于下坡状态，工控机111根据该判断结果控制驱动电机112，通过驱动电机112转速的减小使实时挂钩牵引力Fx减小；如果实时挂钩牵引力Fx的变化平稳，则星球探测车不处于上下坡状态，工控机111根据该判断结果控制驱动电机112，通过驱动电机112转速增大使实时挂钩牵引力Fx增大；
工控机111还将实时侧向力Fy与侧向力的预设值进行比较，如果实时侧向力Fy的变化不平稳，则导向轮处于凹凸不平路面，工控机111根据该判断结果控制转向电机113使导向轮的转角减小，实时侧向力Fy减小，如果导向轮的实时侧向力Fy的变化平稳，则不处于凹凸不平路面，工控机111根据该判断结果控制转向电机113使导向轮的转角增大，实时侧向力Fy增大。
如图13所示，w是车轮上的等效垂直荷载，FN、FDP是法向力和牵引杆拉力，τR、τω分别是阻力扭矩和驱动扭矩，ω、v分别是车轮的角速度和线速度，r是车轮的半径。
进一步地，信息采集模块12包括力传感器，力传感器设置于导向轮的轮轴上，力传感器采集实时侧向力Fy及实时挂钩牵引力Fx，并将采集的实时侧向力Fy及实时挂钩牵引力Fx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导向轮的轮轴上，第一编码器采集导向轮的转速信息，第二编码器采集导向轮的水平面转向角度信息，该角度信息是导向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，每次电机启动时导向轮所处的位置即为绝对零点。通过设置显示模块13，能够更直观地获得导向轮的实时转速及转角值，掌握星球探测车的运转状态。
具体地，在三轮或四轮星球探测车中，导向轮设置于星球探测车的后部，用来支撑和引导车体移动。在六轮星球探测车中，这种导向轮更适合放置在中间位置。
将星球探测车的线速度设置为110mm/s，角速度设置为0.2rad/s，以此作为星球探测车的轨迹跟踪目标，分别追踪星球探测车车体的上下坡状态转向运动过程和直线沙地转向运动过程，模拟转弯状态的上下坡表面及直线的凹凸不平的表面两种崎岖地形。星球探测车车体的上下坡状态转向运动过程导向轮的线速度、转向角度、实时挂钩牵引力、实时侧向力的控制结果分别如图5、图6、图7、图8所示，线速度由第一编码器采集，转向角度由第二编码器采集，实时挂钩牵引力、实时侧向力由力传感器采集获得，其中实线为采用本发明星球探测车导向轮控制方法对导向轮进行控制后的测量结果，虚线为未对导向轮进行控制的测量结果，由图3能够看出采用本发明星球探测车导向轮控制方法对导向轮进行控制后，导向轮的转速更稳定，而且减少了控制系统的响应时间，说明在上坡时，导向轮的滑转率降低，星球探测车拥有更好的速度跟踪能力；由图4可见，星球探测车运动过程中导向轮的转向角度进行了调整；由图5可见，在对导向轮进行控制后，导向轮获得了更大的挂钩牵引力，具有更强的驱动力；由图6可见，由于对导向轮进行控制，导向轮具有更平稳的侧向力。由此可见，在崎岖不平的复杂路面环境下，减少了侧向力对星球探测车车轮运动带来的影响。
星球探测车车体的直线沙地转向运动过程中导向轮的速度、转向角度、实时挂钩牵引力、实时侧向力的控制结果分别如图9、图10、图11、图12所示，其中实线为采用本发明星球探测车导向轮控制方法对导向轮进行控制后的测量结果，虚线为未对导向轮进行控制的测量结果，由图9、图10可见，未对导向轮进行控制时，导向轮的速度是恒定值，转向角度变化较小，对导向轮进行控制后，导向轮的速度在根据地形的变化实时调整，转向角度变化幅度较大；由图11、图12能够看出，未对导向轮进行控制时，导向轮的挂钩牵引力不平稳，导致影响到侧向力，使侧向力变化幅度大，不平稳，对导向轮进行控制后，调整导向轮的挂钩牵引力，导向轮的侧向力变化幅度变小，侧向力更加平稳。在崎岖地形采用本发明星球探测车导向轮控制方法，可以降低导向轮的滑转率，从而增加导向轮的驱动力及车体的运动能力。
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 (13)

1.一种星球探测车导向轮的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
选择所述星球探测车的一个或多个车轮作为导向轮，调整所述导向轮的转速，使所述导向轮的实时挂钩牵引力Fx趋近于目标挂钩牵引力Fxd，以及所述目标挂钩牵引力Fxd为零，以减小所述导向轮对所述星球探测车的驱动力及阻力，使所述导向轮用于对所述星球探测车的车体提供支持力，
在调整所述导向轮的转速的过程中，根据所述导向轮的实际受力状态判断所述星球探测车是否处于崎岖地形，根据判断结果控制所述导向轮在运动方向及侧向的动力输出，以使所述导向轮对运行在所述崎岖地形的所述星球探测车具有驱动力，所述星球探测车车体的轨迹跟踪能力提高。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述驱动力包括沿所述星球探测车运动方向的挂钩牵引力及垂直于所述运动方向的侧向力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述导向轮的实际受力状态判断所述星球探测车是否处于崎岖地形，根据所述判断结果控制所述导向轮在运动方向及侧向的动力输出的过程中，包括：
步骤S1：判断所述星球探测车是否在转向，如果是，则进行步骤S2,如果否则进行步骤S3，
步骤S2：判断所述星球探测车是否处于上下坡状态，如果否，则进行步骤S4，如果是，则进行步骤S6，
步骤S4:增大所述导向轮的挂钩牵引力输出，
步骤S6：判断所述星球探测车是否处于上坡状态，如果是，则进行步骤S4，如果否，则进行步骤S8，
步骤S8：减小所述导向轮的所述挂钩牵引力输出，
步骤S3：判断所述星球探测车是否处于凹凸不平路面，如果是，则进行步骤S5，如果否，则进行步骤S7,
步骤S5:减小所述导向轮的侧向力输出，
步骤S7：增大所述导向轮的所述侧向力输出。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中判断所述星球探测车是否处于上下坡状态的过程中，如果所述导向轮的所述实时挂钩牵引力Fx的变化不平稳，则所述星球探测车处于上下坡状态，否则不处于上下坡状态。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S6中，判断所述星球探测车是否处于上坡状态的过程中，判断所述导向轮的所述实时挂钩牵引力Fx的幅度变化的均值是否为正，如果为正，则所述星球探测车处于上坡状态，否则处于下坡状态。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
在所述步骤S3中判断所述星球探测车是否处于凹凸不平路面的过程中，如果所述导向轮的实时侧向力Fy的变化不平稳，则所述导向轮处于凹凸不平路面，否则不处于凹凸不平路面。
7.一种星球探测车导向轮控制系统，其特征在于，
包括控制模块(11)，所述控制模块(11)采用上述权利要求1-5任一所述的方法进行控制。
8.根据权利要求7所述的星球探测车导向轮控制系统，其特征在于，
还包括信息采集模块(12)，所述信息采集模块(12)用于采集所述导向轮的受力信息，并将采集的所述受力信息传输至所述控制模块(11)，
所述控制模块(11)用于分析所述受力信息，并根据分析结果控制所述导向轮的动力输出，以使所述导向轮对运行在崎岖地形的所述星球探测车具有驱动力，所述星球探测车车体的轨迹跟踪能力提高。
9.根据权利要求8所述的星球探测车导向轮控制系统，其特征在于，
所述信息采集模块(12)用于采集所述导向轮的实时侧向力Fy及所述导向轮的实时挂钩牵引力Fx，并将采集的所述实时侧向力Fy及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)内存储有所述导向轮的侧向力预设值及挂钩牵引力预设值，所述控制模块(11)将所述实时挂钩牵引力Fx与所述挂钩牵引力预设值进行比较，及将所述实时侧向力Fy与所述侧向力预设值进行比较，根据比较结果对所述导向轮进行控制，以增大或减小所述导向轮的所述实时挂钩牵引力Fx，增大或减小所述导向轮的所述实时侧向力Fy，使所述导向轮对运行在所述崎岖地形的所述星球探测车具有驱动力。
10.根据权利要求9所述的星球探测车导向轮控制系统，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)的另一端均与所述导向轮连接，所述工控机(111)将所述实时挂钩牵引力Fx与所述挂钩牵引力预设值进行比较，并根据比较结果判断所述实时挂钩牵引力Fx的变化是否平稳，通过所述驱动电机(112)控制所述导向轮的所述实时挂钩牵引力Fx增大或减小。
11.根据权利要求10所述的星球探测车导向轮控制系统，其特征在于，
所述工控机(111)将所述实时侧向力Fy与所述侧向力的预设值进行比较，并根据比较结果通过所述转向电机(113)控制所述导向轮的实时侧向力Fy增大或减小。
12.根据权利要求9所述的星球探测车导向轮控制系统，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导向轮的轮轴上，所述力传感器用于采集所述实时侧向力Fy及所述实时挂钩牵引力Fx，并将采集的所述实时侧向力Fy及所述实时挂钩牵引力Fx传输至所述控制模块(11)。
13.根据权利要求8所述的星球探测车导向轮控制系统，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导向轮的轮轴上，所述第一编码器用于采集所述导向轮的转速信息，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导向轮的角度信息，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)。
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