CN113370721A - 三轴无人车应对野外特种任务的控制策略及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三轴无人车应对野外特种任务的控制策略，包括，获取远程野外特种任务信息、无人车载荷信息及外部实时环境信息；解析远程野外特种任务信息；基于解析结果和无人车载荷信息，控制无人车载荷工作；基于解析结果和外部实时环境信息，确定是否存在外部突发状况；当确定结果存在外部突发状况，执行外部突发状况应对策略步骤；或，当确定结果不存在外部突发状况，基于外部实时环境信息，控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态。本发明还公开了一种基于野外特种任务的三轴无人车自主调整系统。本发明提高了三轴无人车执行野外特种任务时的准确性、平稳性和机动性，保证侦察任务顺利有效的执行，提高了车辆生存能力、适应能力、自我保护能力。

Description

三轴无人车应对野外特种任务的控制策略及系统
技术领域
本发明涉及无人作战系统技术领域，具体是一种三轴无人车应对野外特种任务的控制策略。
背景技术
无人车辆作为未来无人系统中的重要组成部分，可以用于农业、工业、地质、军事等诸多领域，用于执行农作物浇灌、地形探勘、地质测绘、巡逻、抗震救灾等野外特种任务。
无人车辆由于其具有良好的机动性、稳定性、越野性、安全性等，具有很强的任务执行能力和更好的环境适应能力。无人车辆在执行任务过程中，人、野外生物、地形地貌等都会影响无人车辆的任务执行情况。
三轴无人车辆是具有三个车轴的无人车辆，包括前、中、后三个车轴共六个车轮，可以进行车辆底盘高度调节和轴距调节，部分三轴无人车辆的中间轴车轮还配置有轮履切换式车轮，具有更高的越野性和稳定性。
在用于野外特种任务时，三轴无人车辆常用于物资运输、地形探勘、搜救、道路障碍物清除等，但由于野外地貌复杂，一些建筑物、山石、草丛、壕沟、树木、斜坡、泥潭、洞穴等会影响到三轴无人车辆的行驶，使得野外工作难以顺利开展，并且面对一些沼泽、湿软地面、障碍物等无法通过，只能绕路作业，影响了野外作业效率，并且，在野外特种过程中，还会受到外界环境如滑坡、落石、地面坍塌等突发状况，导致车辆损坏或失效。
因此，对于现有无人作战平台执行军事野外特种任务时，我们需要设计更好的应对策略，以保证无人作战平台的准确性、平稳性和机动性，以提高军事野外特种任务成功率和保证野外特种效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种三轴无人车应对野外特种任务的控制策略，该调整策略在三轴无人车执行野外特种任务时进行野外特种所需载荷控制，并可根据外部环境进行车辆状态自主调整策略，以结合地形、车辆结构及突发状况类型等因素自我调整，从而保证三轴无人车的安全性和稳定性，具有很好的环境适应能力和机动能力，并能提高野外特种任务成功率和保证野外特种效果。
本发明的目的主要通过以下技术方案实现：一种三轴无人车应对野外特种任务的控制策略，包括，获取远程野外特种任务信息、无人车载荷信息及外部实时环境信息；解析远程野外特种任务信息；基于解析结果和无人车载荷信息，控制无人车载荷工作；基于解析结果和外部实时环境信息，确定是否存在外部突发状况；当确定结果存在外部突发状况，执行外部突发状况应对策略步骤；或，当确定结果不存在外部突发状况，基于外部实时环境信息，控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态；其中，所述调整车体状态包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构、调节车辆底盘高度及调整车体倾角；所述调整行驶状态包括确定转向模式和调整车辆机动模式。
基于以上技术方案，所述实时环境信息至少包括行驶环境信息、车辆行驶信息、车辆结构参数信息及外部环境光电信息；所述无人车载荷信息至少包括无人车载荷功能信息、无人车载荷分类信息。
基于以上技术方案，所述外部突发状况通过智能识别评估方法确定，所述智能识别评估方法包括：获取实时环境信息，提取疑似突发状况中的目标的目标分类信息；基于目标分类信息，对疑似突发状况进行识别和危险程度评估；基于识别和危险程度评估结果，确定疑似突发状况是否属于外部突发状况。
基于以上技术方案，所述外部突发状况应对策略步骤包括：获取实时环境信息；提取实时环境信息中外部突发状况中的目标的分类信息；基于分类信息，确定突发状况类型；基于确定结果和外部实时环境信息，控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态；其中，所述调整车体状态包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构及调节车辆底盘高度；所述调整行驶状态包括确定转向模式和调整车辆机动模式。
基于以上技术方案，所述目标分类信息至少包括外部突发状况中的目标的位置、速度、方向及高度。
基于以上技术方案，所述确定突发状况类型包括：确定疑似突发状况属于外部突发状况时，基于目标分类信息和威胁程度评估，确定突发状况类型；所述突发状况类型至少包括远距离横向或斜横向突发状况、近距离横向或斜横向突发状况、垂直或近垂直上方突发状况、垂直或近垂直下方突发状况中的一种。
基于以上技术方案，所述升降车轮胎压、切换车轮轮履结构包括：
若路面是松软或泥泞路面，则三轴无人车的前轴和后轴车轮降低胎压，中间轴将车轮切换为履带式行走；
若路面不是松软或泥泞路面，则三轴无人车的前轴和后轴车轮胎压不变保持正常，中间轴将车轮切换为轮式行走。
基于以上技术方案，所述松软或泥泞路面的判断方法包括：
计算中间轴车轮在松软地形行进时能承受来自地面的最大水平方向剪切力τmax，计算公式为：
Figure BDA0003186530810000031
式中，c为常数，σ为地面所承受载荷，
Figure BDA0003186530810000032
为剪切角；
获取地面沉陷量z与地面所承受载荷σ之间的关系，地面沉陷量z与地面所承受载荷σ之间的关系用过以下公式计算获取：
Figure BDA0003186530810000033
式中，b为中间轴车轮与地面之间接触面积的短边长也即即接触宽度，n为土体变形的指数，kc为土体变形的粘聚力模量和kφ为土体变形的摩擦系数；
通过公式(2)转换获得地面所承受载荷σ关系式：
Figure BDA0003186530810000034
基于中间轴车轮在松软地形行进时竖直方向受力平衡，获得竖直方向平衡公式：
Figure BDA0003186530810000035
式中，G为垂直作用力，δ为积分变量，l为接触长度，δM为接触点与车轮垂直中心线的夹角；
R'为与地面实时接触的部件半径，且有：
Figure BDA0003186530810000036
式中，RW为轮式行走的部件半径，RT为履带式行走时的等效半径，α为轮辋变形角度；
基于公式(1)～公式(5)，通过近似处理，得到在相同负载条件下，中间轴车轮在松软地形的沉陷量ZM和轮辋变形角度α之间的表达式：
Figure BDA0003186530810000037
计算中间轴车轮在松软地形行进时水平方向牵引力F，得到：
Figure BDA0003186530810000041
结合公式(1)、(2)、(3)及(7)，得到在相同负载条件下，中间轴车轮在松软地形所能提供的最大牵引力F与轮辋变形角度α之间的关系：
Figure BDA0003186530810000042
基于公式(1)～公式(8)，求解中间轴车轮分别为履带式行走和轮式行走时需求的牵引力相同时的沉陷量Zt；
基于公式(1)～公式(8)，求解中间轴车轮实际行走时的实际沉陷量Zs；
比较：
若Zs＞Zt，则判断路面为松软或泥泞路面，采用履带式行走；
若Zs＜Zt，则判断路面为非松软或非泥泞路面，采用轮式行走。
基于以上技术方案，所述调整车体倾角包括：基于远程野外特种任务信息、无人车载荷信息及外部实时环境信息，选择是否调整车体倾斜角度。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明可基于三轴无人车的载荷设备获取远程野外特种任务信息、无人车载荷信息及外部实时环境信息，控制观瞄设备、排障设备等载荷进行工作，并基于以上信息对车辆进行车体状态和行驶状态进行自主调整，进而使得车辆能根据地形、路面、突发状况等选择合适的车辆结构和行驶模式车辆更能适应复杂地形的行驶，从而在执行野外特种任务时具有很高的准确性、平稳性和机动性，保证野外特种任务顺利有效的执行，提高了车辆生存能力、适应能力、自我保护能力，保证了野外特种任务效果。
本发明还公开了一种基于野外特种任务的三轴无人车自主调整系统，包括，获取模块，用于获取远程野外特种任务信息、无人车载荷信息及外部实时环境信息；解析模块，用于解析远程野外特种任务信息；无人车载荷控制模块，用于基于远程野外特种任务信息或解析结果，控制无人车载荷工作；确定模块，用于基于解析结果，确定是否存在外部突发状况；执行模块，用于确定结果存在外部突发状况时，执行外部突发状况应对策略步骤；或，车辆控制模块，用于基于远程野外特种任务信息或确定结果不存在外部突发状况时，控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态；其中，所述调整车体状态包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构、调节车辆底盘高度及调整车体倾角；所述调整行驶状态包括确定转向模式和调整车辆机动模式。
本基于野外特种任务的三轴无人车自主调整系统基于获取模块获取相应信息，再通过解析模块进行信息解析后，基于解析结果执行、控制车辆载荷工作，并进行车辆状态调整或行驶状态调整，保证野外特种任务顺利进行的同时，保证三轴无人车在执行野外特种任务时保持很高的准确性、平稳性和机动性，提高野外特种任务实现效果，提高了车辆生存能力、适应能力、自我保护能力，保证了野外特种任务效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是三轴无人车应对野外特种任务的控制策略的流程图；
图2是三轴无人车应对野外特种任务的控制策略中步骤104的流程图；
图3是三轴无人车应对野外特种任务的控制策略中步骤105的流程图；
图4是三轴无人车应对野外特种任务的控制策略中步骤1054的流程图；
图5是三轴无人车中心转向模式的车辆状态结构图；
图6是三轴无人车快速转向模式的车辆状态结构图；
图7是三轴无人车应对野外特种任务的控制策略中步骤106的流程图；
图8是三轴无人车基于野外特种任务的三轴无人车自主调整系统的结构框图；
图9是基于野外特种任务的三轴无人车自主调整系统中车辆控制模块的结构框图；
图10是具体实施例1的流程图；
图11是具体实施例2的流程图；
图12是具体实施例3的流程图；
图13是具体实施例4的流程图；
图14是具体实施例5的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
应当理解，本文使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模组”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。
如本发明和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。
本发明中使用了流程图用来说明根据本发明的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
如图1所示，作为本发明的第一个实施例，本发明公开了一种三轴无人车应对野外特种任务的控制策略100，其包括以下步骤，
101、获取远程野外特种任务信息、无人车载荷信息及外部实时环境信息；
102、解析远程野外特种任务信息；
103、基于解析结果和无人车载荷信息，控制无人车载荷工作；
104、基于解析结果和外部实时环境信息，确定是否存在外部突发状况；
105、当确定结果存在外部突发状况，执行外部突发状况应对策略步骤；
或，
106、当确定结果不存在外部突发状况，基于外部实时环境信息，控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态；
其中，所述调整车体状态包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构、调节车辆底盘高度及调整车体倾角；所述调整行驶状态包括确定转向模式和调整车辆机动模式。
本三轴无人车应对野外特种任务的控制策略100，通过对三轴无人车的远程野外特种任务信息、无人车载荷信息及外部实时环境信息进行任务和信息解析，并基于野外特种任务和解析结果控制对应无人车载荷工作，并进行不同的应对和车辆调整，从而在执行野外特种任务时具有很高的准确性、平稳性和机动性，保证侦察任务顺利有效的执行，提高了车辆生存能力、适应能力、自我保护能力及野外特种任务效果。
在步骤101中，远程野外特种任务信息为通过无线网络远程下达的野外特种任务信息，野外特种任务信息至少包括目标信息、位置信息、行驶路线信息等。
无人车载荷信息至少包括无人车载荷功能信息、无人车载荷分类信息等。无人车载荷功能信息中至少包括无人车载荷的功能、作用、使用条件或使用环境等信息，无人车载荷分类信息中至少包括无人车载荷类别信息。
外部实时环境信息至少包括有行驶环境信息、车辆行驶信息、车辆结构参数信息及外部环境光电信息。
其中的行驶环境信息可以是地形信息、地图信息、空间信息、障碍物信息、路面信息、天气信息等；车辆行驶信息可以是车辆的驱动信息、速度信息、底盘高度信息、位移信息、坐标信息、航向信息、偏移角信息、车轮结构和受力信息等；车辆结构参数信息可是车辆底盘高度参数、车轮胎压参数、车轮状态参数、车辆转向参数、车辆载荷参数、车辆倾斜角参数、轮距、轴距等信息；外部环境光电信息可以是外部环境声光信息、热成像信息、辐射信息、电磁波信息等。
远程野外特种任务信息获取时，可以通过三轴无人车的车载设备获取，如无线收发器等，外部实时环境信息或无人车载荷信息获取时，可通过三轴无人车自身车载设备或加装的获取单元、模块或设备进行周扫探测实时获取，或通过三轴无人车上级系统发出的引导信息、接收的远程指令执行获取命令获取。其中的获取单元、模块或设备可以是远红外摄像头、地形扫描仪、导航仪、陀螺仪、传感器、定位仪、测速仪、热成像仪、电磁波探测仪、雷达、可见光电视观瞄系统、红外观瞄系统、激光测距机、跟踪处理器、目标识别器等。
具体的，在获取实时环境信息时，可采用可见光电视观瞄系统、红外观瞄系统、激光测距机、跟踪处理器、目标识别器等获取外部目标与背景的可见光信息/红外辐射信息，完成光电转换，形成可见光/红外目标原始图像数据，并将其存储于外部存储器中，可采用跟踪处理器、目标识别器完成目标捕获与跟踪，实时测量并反馈目标角偏，采用定位仪、热成像仪、电磁波探测仪、雷达等在目标稳定跟踪条件下距离测量、实现目标定位，从而为后序外部突发状况目标的判断、车辆的结构、状态调整及野外特种任务的执行提供数据基础。
在此基础上，无人车载荷至少包括有上述的三轴无人车自身车载设备或加装的获取单元、模块或设备，如观瞄系统，用于野外特种任务时外部环境的信息获取，以提供全面的行驶信息和外部环境信息；还包括有用于野外特种的排障设备，排障设备可以是碎石设备、除渣设备、枪械、炮弹、导弹等设备，用于野外特种任务时对相应路障、危险物等目标进行排除。
在步骤102中，解析远程野外特种任务信息，主要用于解析远程野外特种任务信息，以从远程野外特种任务信息中获取野外特种任务相关信息，如野外特种任务目标(搜救、运送物资、排障等)、区域、方向、任务方式等信息。
在步骤103中，当解析远程野外特种任务信息获得解析结果后，基于无人车载荷信息，控制上述无人车载荷进行工作，如开启观瞄系统用于目标地区定位、锁定、识别等，同时可以开启排障设备，用于排障，保证行驶畅通，实现快速机动。
需要说明的是，当需要时，无人车载荷可以直接基于远程野外特种任务指令，不经过解析，直接控制无人车载荷进行相应工作。
如图2所示，在步骤104中，确定是否存在外部突发状况时，所述外部突发状况可通过智能识别评估方法确定，所述智能识别评估方法包括以下步骤：
1041、获取实时环境信息，提取疑似突发状况中目标的目标分类信息；
1042、基于分类信息，对疑似突发状况进行识别和危险程度评估；
1043、基于识别和危险程度评估结果，确定疑似突发状况是否属于外部突发状况。
本步骤104通过对疑似突发状况中目标的目标分类信息进行识别和危险程度评估，来判断疑似突发状况是否属于外部突发状况，从而可以根据判断结果执行后序步骤。
具体的，步骤1041中，当从获取的实时环境信息中，发现有疑似突发状况时，将该疑似突发状况的目标分类信息提取出来。
其中的疑似突发状况，指的是三轴无人车在执行任务时遇到的影响其行驶或任务执行的状况，该状况为基于外部环境(目标)而可能导致三轴无人车碰撞、损坏、翻倒等的突发事件，其中的外部环境可能是空中、地面及地下的任何物体，如高低速移动物体，具有辐射、热成像反应或生物反应的物体，以及各类障碍物等。目标分类信息至少包括外部突发状况中目标的速度、方向、高度、距离、角度、位置、大小等信息。进一步的，目标分类信息还可以包括外部突发状况的目标的能量、体积、运动轨迹等信息，以完善外部突发状况中目标的状态信息，作为信息基础或判断内容，提高后序外部突发状况的确定准确性。
具体的，步骤1042中，疑似突发状况识别和危险程度评估中，可以是基于三轴无人车自身的控制系统进行识别和评估，也可以通过网络模块将数据传输至远端，远程进行识别和评估，并通过远程命令执行后序步骤。
需要说明的是，目标识别技术在现有中已经较为常见，本实施例不再多余阐述，作为一种可行方式：疑似突发状况识别可以先采用ImageNet、KITTI等大型可视化数据集进行前训练(也称初训练)，通过层次化参数描述的深度神经网络和小样本训练，精准地构建不同类型目标的表征模式，利用轻量级深度网络实现单帧图像中显著区域提取、潜在目标预测、目标分类与位置回归，然后采用实测数据进行后训练和性能评估，对多类目标进行分类与识别，完成疑似突发状况识别。
具体的，步骤1043中，当完成识别及对应威胁程度评估后，若疑似突发状况对三轴无人车行驶和自身安全构成威胁时，即可将其确定为外部突发状况。
如图3所示，步骤105主要是针对当野外特种任务解析后存在外部突发状况时的三轴无人车自主调整策略，避免在执行野外特种任务时因受到外部突发状况而导致任务失败。
具体的，在步骤105中，详细的外部突发状况应对策略步骤包括：
1051、获取实时环境信息；
1052、提取实时环境信息中外部突发状况中目标的目标分类信息；
1053、基于目标分类信息，确定突发状况类型；
1054、基于确定结果和实时环境信息，控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态；
其中，所述调整车体状态包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构及调节车辆底盘高度；所述调整行驶状态包括确定转向模式和调整车辆机动模式。
本步骤105可基于三轴无人车外部的实时环境信息，确定突发状况并根据类型进行车体状态和行驶状态调整，进而使得车辆能根据地形、路面、突发状况类型等选择合适的车辆结构和行驶模式，针对不同的突发状况选用不同的车辆结构和行驶模式，针对性的解决突发状况，且通过车辆结构和行驶模式调节，使得车辆更能适应复杂地形的行驶，从而在应对突发状况时具有更方阔的空间和环境，提高了车辆生存能力和适应能力，且车辆实时获取环境数据，车辆结构和行驶模式在确定突发状况后同步进行，进而提高响应速度，应对成功率高。
具体的，在步骤1051和步骤1052中，获取实时环境信息和提取实时环境信息中外部突发状况中目标的目标分类信息具体可采用上述步骤101和步骤1052的结构和方式获得，此处不再过多累述，在步骤101和步骤1052已经获得相应数据后，本步骤105可以直接跳过步骤1051和步骤1052进行。
而在步骤1053中，所述确定突发状况类型包括：
确定疑似突发状况属于外部突发状况时，基于目标分类信息和威胁程度评估，确定突发状况类型；所述突发状况类型至少包括远距离横向或斜横向突发状况、近距离横向或斜横向突发状况、垂直或近垂直上方突发状况、垂直或近垂直下方突发状况中的一种。
突发状况类型的确定，可以基于目标分类信息中高度信息、角度信息、位置信息确定，并可基于其热成像信息、速度信息、光电信息等进行危险程度评估，如一些外部地形地貌(壕沟、山丘等)的威胁，可以评估为低突发状况，一些高速移动物体、辐射能高的物体则可评估为高突发状况。
具体的，远距离横向或斜横向突发状况、近距离横向或斜横向突发状况、垂直或近垂直上方突发状况可能是外部的树木、倒塌的建筑物、滑坡、动物、陷阱、落石等，垂直或近垂直下方突发状况可能是壕沟、凸起的障碍物(石块、山丘、腐木)等。
步骤1054主要用于基于突发状况类型和实时环境信息，控制三轴无人车进行相应的车体状态和行驶状态调节，进而有针对性的、安全稳定的解决外部突发状况问题。
如图4所示，步骤1054中，主要包括车辆的车体状态调节步骤10541和行驶状态调整步骤10542。
具体的，车体状态调节步骤10541中，主要包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构及调节车辆底盘高度。
进一步的，升降车轮胎压、切换车轮轮履结构主要包括：若路面是松软或泥泞路面，则三轴无人车的前轴和后轴车轮降低胎压，中间轴将车轮切换为履带式行走；若路面不是松软或泥泞路面，则三轴无人车的前轴和后轴车轮胎压不变保持正常，中间轴将车轮切换为轮式行走。通过本步骤调节，路面是松软或泥泞路面时，可以通过降低前后轴车轮胎压增加附着力，并将中间轴车轮切换为履带式行走，增加车轮中部支撑面积，减小滚动阻力，避免车体下沉，进而可以快速、平稳行进而不会出现打滑、沉陷。
需要说明的是，三轴无人车的中间轴的车轮为了实现履带式和轮式结构的切换，可选用现有的轮履切换式车轮结构实现轮式和履带式结构切换，由于轮履切换式车轮结构属于现有技术，本实施例不再过多累述。
需要说明的是：三轴无人车在轮式模式下中间轴车轮与地面之间接触面积小，在平坦坚实地形行进时阻力小，速度快效率高，也正因为如此却导致其在松软湿滑地形下的支承通过特性较差，易出现下陷以及打滑的情况。从轮式模式转换为履带式模式后，中间轴车轮与地面之间的接触方式由点接触变为面接触，可有效增大接地面积、降低接地比压，从而提高无人车松软湿滑地形的支承通过性能。且由于中间轴车轮通过对地面施加的压力与行进动力产生的剪切力，地面对其施以相应的支承力与牵引力。因三轴无人车行驶模式不同，中间轴车轮的形态也不同，与地面之间的接触情况也不同。在松软地形下，地面在受到车轮的压力时还会产生沉陷，当沉陷量大到一定程度时，三轴无人车便无法顺利通过。
因此，三轴无人车通过将中间轴车轮设计成轮履切换结构进行轮式和履带式行进方式切换，以适应不同路面的行驶所需，保证三轴无人车在松软或泥泞路面也能正常行驶，这就需要对车辆行驶路面是否为松软或泥泞路面进行合理判断。
基于此，本实施例基于贝克理论建立的变形轮在不同的模式下与地面之间的接触模型，提供了以下判断方法用于判断三轴无人车所在路面是否为松软或泥泞路面：
计算中间轴车轮在松软地形行进时能承受来自地面的最大水平方向剪切力τmax，计算公式为：
Figure BDA0003186530810000101
式中，c为常数，σ为地面所承受载荷，
Figure BDA0003186530810000102
为剪切角；
获取地面沉陷量z与地面所承受载荷σ之间的关系，地面沉陷量z与地面所承受载荷σ之间的关系用过以下公式计算获取：
Figure BDA0003186530810000111
式中，b为中间轴车轮与地面之间接触面积的短边长也即即接触宽度，n为土体变形的指数，kc为土体变形的粘聚力模量和kφ为土体变形的摩擦系数；
通过公式(2)转换获得地面所承受载荷σ关系式：
Figure BDA0003186530810000112
基于中间轴车轮在松软地形行进时竖直方向受力平衡，获得竖直方向平衡公式：
Figure BDA0003186530810000113
式中，G为垂直作用力，δ为积分变量，l为接触长度，δM为接触点与车轮垂直中心线的夹角；
R'为与地面实时接触的部件半径，且有：
Figure BDA0003186530810000114
式中，RW为轮式行走的部件半径，RT为履带式行走时的等效半径，α为轮辋变形角度；
基于公式(1)～公式(5)，通过近似处理，得到在相同负载条件下，中间轴车轮在松软地形的沉陷量ZM和轮辋变形角度α之间的表达式：
Figure BDA0003186530810000115
计算中间轴车轮在松软地形行进时水平方向牵引力F，得到：
Figure BDA0003186530810000116
结合公式(1)、(2)、(3)及(7)，得到在相同负载条件下，中间轴车轮在松软地形所能提供的最大牵引力F与轮辋变形角度α之间的关系：
Figure BDA0003186530810000121
基于公式(1)～公式(8)，求解中间轴车轮分别为履带式行走和轮式行走时需求的牵引力相同时的沉陷量Zt；
基于公式(1)～公式(8)，求解中间轴车轮实际行走时的实际沉陷量Zs；
比较：
若Zs＞Zt，则判断路面为松软或泥泞路面，采用履带式行走；
若Zs＜Zt，则判断路面为非松软或非泥泞路面，采用轮式行走。
通过该松软或泥泞路面的判断方法即可判断出三轴无人车的行驶路面情况，从而基于路面情况进行车辆结构调节，保证三轴无人车的机动性和可行性。
进一步的，调节车辆底盘高度主要包括：基于突发状况类型，升高或降低车辆底盘高度以使车体保持高位、中位或低位行驶。本实施例中，可以根据车辆稳定性和机动性需求，调节底盘高度，当三轴无人车在连续转向、斜行或面对横向/斜横向突发状况时，可以降低底盘至低位行驶，降低车体重心，提高车辆平稳性；当直线快速机动、面对垂直/近垂直上方突发状况时，可以调节底盘至正常中位行驶，增加其机动性；而当直线快速机动、面对垂直/近垂直下方突发状况时，可以提高底盘至高位行驶，使车辆底盘远离突发状况目标，减轻受到的损伤。
需要说明的是，车辆底盘高度调节，可以通过在车轴和车轮之间安装升降装置如液压缸，液压缸伸缩端与车轮连接，并且车轮连接轮毂电机或马达，从而利用液压缸伸缩带动车轮升降，即可实现底盘升降，并且升降过程中不影响车轮驱动。
行驶状态调整步骤10542主要包括确定转向模式、调整车辆机动模式，其中，确定转向模式包括：基于突发状况类型，确定是否采用中心转向模式快速转向以将车体侧面的防御面转向来袭方向；或，确定是否采用快速转向模式辅助车辆机动。调整车辆机动模式包括：基于突发状况类型，将车辆行驶状态调整为快速蟹行模式、快速S形行进模式、快速直行模式。
具体的，如图5所示，中心转向模式为车辆沿着中心顺时针或者逆时针旋转。
如图6所示，快速转向模式为：前轮均沿转向方向转动所需角度，中间车轮方向不变，后轮沿转向方向反向转动相同角度，从而利用前后轮实现四轮转向，具有较小的转向半径，转向灵敏度较高、转向速度快。
在一些实施例中，当面对远距离横向/斜横向突发状况时，可采用中心转向模式快速转向以将车体侧面的防御面转向来袭方向，并采用快速转向模式以快速S形行进模式进行快速机动。在一些实施例中，当面对近距离横向/斜横向突发状况时，可采用中心转向模式快速转向以将车体侧面的防御面转向来袭方向，并采用快速蟹行模式进行快速机动。在一些实施例中，当面对垂直/近锤子上方或下方突发状况时，可以采用快速转向模式以快速直行模式快速机动。
如图7所示，步骤106中，主要包括车体状态调节步骤1061和行驶状态调整步骤1062。
具体的，车体状态调节步骤1061主要包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构、调节车辆底盘高度及调整车体倾角。升降车轮胎压、切换车轮轮履结构及调节车辆底盘高度方法在步骤1054中已经详细阐述，此处不再多余累述。需要说明的是，本步骤中，升降车轮胎压、切换车轮轮履结构可以基于路面情况进行调整，而本步骤中的车辆底盘高度调节，除了上文所述内容，在行驶过程中遇到的山石、腐木、地面凸起等均可视为垂直/近垂直下方突发状况来进行车辆底盘高度调节，进而使车辆底盘远离威胁，减轻受到的损伤。
调整车体倾角主要用于调整车体的倾斜角度，以适应不同斜度、坡度的地形地貌，如上坡路、下坡路、壕沟、阶梯等。具体的，调整车体倾角可以基于调节车辆底盘高度实现，也即通过调节车体前后轮所在底盘的升降高度，使得车体前后升降高度不一致即可实现车体倾角调整，此部分在现有技术中已经有相关结构，本实施例不再多余累述。
行驶状态调整步骤1062主要包括确定转向模式、调整车辆机动模式。需要说明的，确定转向模式、调整车辆机动模式在上文已经阐述了原理和方式，本步骤中，由于是用于野外特种任务使用，并故本步骤中，转向模式最好确定为正常转向模式，而车辆机动模式则最好调整为正常快速机动模式，从而实现稳定快速行驶。
如图8所示，本发明第二个实施例提供了一种三轴无人车应对野外特种任务的控制系统200，其包括：
获取模块201，用于获取远程野外特种任务信息、无人车载荷信息及外部实时环境信息；
解析模块202，用于解析远程野外特种任务信息；
无人车载荷控制模块203，用于基于远程野外特种任务信息或解析结果，控制无人车载荷工作；
确定模块204，用于基于解析结果，确定是否存在外部突发状况；
执行模块205，用于确定结果存在外部突发状况时，执行外部突发状况应对策略步骤；
或，
车辆控制模块206，用于基于远程野外特种任务信息或确定结果不存在外部突发状况时，控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态；
其中，所述调整车体状态包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构、调节车辆底盘高度及调整车体倾角；所述调整行驶状态包括确定转向模式和调整车辆机动模式。
本三轴无人车应对野外特种任务的控制系统200，通过获取模块201获取远程野外特种任务信息、无人车载荷信息及外部实时环境信息，解析模块202并对信息进行解析，从而通过无人车载荷控制模块203控制对应的无人车载荷设备工作进行地形扫描、环境信息获取、排除路障等操作，并且野外特种任务时，确定模块204进行外部突发状况确定，并基于确定结果，执行模块205执行外部突发状况应对策略步骤或通过控制模块206控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态，对车辆进行车体状态和行驶状态调整，使得车辆能根据地形、路面、突发状况等选择合适的车辆结构和行驶模式，车辆更能适应复杂地形的行驶，从而在执行野外特种任务时不仅可以借助复杂地形隐藏自己，还能很好适应野外复杂的环境，保证任务顺利有效的执行，提高了车辆生存能力、适应能力、侦察能力及保护能力。
如图9所示，车辆控制模块206在实际运用时，可基于三轴无人车自身的自主驾驶控制器进行搭建，从而可以和自主驾驶控制器相辅相成，为方便车辆控制模块206分类控制，其可以由以下模块组成：
轮履控制模块2061，用于控制车轮胎压升降和车轮轮履结构切换；
车位控制模块2062，用于控制车辆底盘高度调节；
转向控制模块2063，用于确定并切换转向模式；
驱动控制模块2064，用于控制车辆机动模式调整；
车体倾角控制模块2065，用于控制车辆调节车体倾角。
当需要进行车体状态调节时，可通过轮履控制模块2061和车位控制模块2062分别控制胎压、车轮状态切换及底盘高度切换，当需要进行行驶状态调节时，则可通过转向控制模块2063确定并控制转向模式，再利用驱动控制模块2064控制车辆机动模式调整，进而分类控制，提高控制精度和响应速度，当车辆在倾斜路面如上坡路、下坡路、壕沟、山丘等地形行驶时，还可以通过车体倾角控制模块2065控制车辆调节车体倾角，避免车辆翻倒。
需要说明的是，在需要时，也可通过自主驾驶控制器的远程信号收发装置来收发信息，以实现远程操控。并且，车体倾角控制模块2065可以是车位控制模块2062的一部分或基于车位控制模块2062实现，从而通过车位控制模块2062调节底盘高度时通过调节底盘前后不同的高度差即可实现车体倾角调节，进一步简化结构。
需要说明的是，上述的外部突发状况的应对策略中，同样可采用三轴无人车应对野外特种任务的控制系统200中的模块组成对应的外部突发状况的应对系统，如获取模块、无人车载荷控制模块、轮履控制模块、车位控制模块、转向控制模块、驱动控制模块等，从而可以实现相同的车体结构和状态调整，三轴无人车应对野外特种任务的控制系统200可以直接用于外部突发状况的应对系统，从而二者共用系统，减少三轴无人车的载荷量。
综上，为了更好的实施外部突发状况的应对策略，下面在三轴无人车应对野外特种任务的控制系统200的基础上，结合具体实施例1-具体实施例4，对外部突发状况的应对策略做详细解释和说明。
具体实施例1
如图10所示，基于外部突发状况的应对策略，具体包括：
基于获取模块，获取实时环境信息。实时环境信息的获取设备可以是远红外摄像头、地形扫描仪、导航仪、陀螺仪、传感器、定位仪、测速仪、热成像仪、电磁波探测仪、雷达、可见光电视观瞄系统、红外观瞄系统、激光测距机、跟踪处理器、目标识别器等。
提取模块提取实时环境信息中外部突发状况的分类信息。分类信息至少包括外部突发状况的速度、方向、高度、距离、角度、位置、大小等信息。
确定模块基于分类信息，确定突发状况类型为远距离横向/斜横向来袭；
控制模块控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态；
其中，所述调整车体状态包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构及调节车辆底盘高度；所述调整行驶状态包括确定并切换转向模式、调整车辆机动模式。
在调整时，轮履控制模块控制车轮胎压升降和车轮轮履结构切换；当路面是松软或泥泞路面时，轮履控制模块控制前后轴车轮降低胎压，中间轴车轮切换为履带式行走模式行走；当路面不是松软或泥泞路面时，轮履控制模块控制前后轴车轮保持正常胎压，中间轴车轮切换为轮式行走模式行走。
同时，车位控制模块控制车辆底盘高度降低至最低位，按照低位行驶状态行驶。
完成后，转向控制模块确定为中心转向模式进行车体转向，使得三轴无人车的车体防御面朝向威胁方向，以S形轨迹线快速机动，并将车辆切换为快速转向模式；
最后，驱动控制模块控制车辆机动模式为快速S形行进模式，以S形轨迹线快速机动，完成整个外部突发状况的三轴无人车应对车辆调整。
具体实施例2
如图11所示，基于外部突发状况的应对策略，具体包括：
基于获取模块，获取实时环境信息。实时环境信息的获取设备可以是远红外摄像头、地形扫描仪、导航仪、陀螺仪、传感器、定位仪、测速仪、热成像仪、电磁波探测仪、雷达、可见光电视观瞄系统、红外观瞄系统、激光测距机、跟踪处理器、目标识别器等。
提取模块提取实时环境信息中外部突发状况的分类信息。分类信息至少包括外部突发状况的速度、方向、高度、距离、角度、位置、大小等信息。
确定模块基于分类信息，确定突发状况类型为近距离横向/斜横向来袭；
控制模块控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态；
其中，所述调整车体状态包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构及调节车辆底盘高度；所述调整行驶状态包括确定并切换转向模式、调整车辆机动模式。
在调整时，轮履控制模块控制车轮胎压升降和车轮轮履结构切换；当路面是松软或泥泞路面时，轮履控制模块控制前后轴车轮降低胎压，中间轴车轮切换为履带式行走模式行走；当路面不是松软或泥泞路面时，轮履控制模块控制前后轴车轮保持正常胎压，中间轴车轮切换为轮式行走模式行走。
同时，车位控制模块控制车辆底盘高度降低至最低位，按照低位行驶状态行驶。
完成后，转向控制模块确定为中心转向模式进行车体转向，使得三轴无人车的车体防御面朝向威胁方向，并将车辆切换为快速蟹行模式；
最后，驱动控制模块控制车辆机动模式为快速蟹行模式，以蟹行轨迹线快速机动，完成整个外部突发状况的三轴无人车应对车辆调整。
具体实施例3
如图12所示，基于外部突发状况的应对策略，具体包括：
基于获取模块，获取实时环境信息。实时环境信息的获取设备可以是远红外摄像头、地形扫描仪、导航仪、陀螺仪、传感器、定位仪、测速仪、热成像仪、电磁波探测仪、雷达、可见光电视观瞄系统、红外观瞄系统、激光测距机、跟踪处理器、目标识别器等。
提取模块提取实时环境信息中外部突发状况的分类信息。分类信息至少包括外部突发状况的速度、方向、高度、距离、角度、位置、大小等信息。
确定模块基于分类信息，确定突发状况类型为垂直/近垂直上方来袭；
控制模块控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态；
其中，所述调整车体状态包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构及调节车辆底盘高度；所述调整行驶状态包括确定并切换转向模式、调整车辆机动模式。
在调整时，轮履控制模块控制车轮胎压升降和车轮轮履结构切换；当路面是松软或泥泞路面时，轮履控制模块控制前后轴车轮降低胎压，中间轴车轮切换为履带式行走模式行走；当路面不是松软或泥泞路面时，轮履控制模块控制前后轴车轮保持正常胎压，中间轴车轮切换为轮式行走模式行走。
同时，车位控制模块控制车辆底盘高度降低至中位，按照中位行驶状态行驶。
完成后，转向控制模块确定为快速转向模式进行快速转向；
最后，驱动控制模块控制车辆机动模式为快速直行模式，以直行轨迹线快速机动，完成整个外部突发状况的三轴无人车应对车辆调整。
具体实施例4
如图13所示，基于外部突发状况的应对策略，具体包括：
基于获取模块，获取实时环境信息。实时环境信息的获取设备可以是远红外摄像头、地形扫描仪、导航仪、陀螺仪、传感器、定位仪、测速仪、热成像仪、电磁波探测仪、雷达、可见光电视观瞄系统、红外观瞄系统、激光测距机、跟踪处理器、目标识别器等。
提取模块提取实时环境信息中外部突发状况的分类信息。分类信息至少包括外部突发状况的速度、方向、高度、距离、角度、位置、大小等信息。
确定模块基于分类信息，确定突发状况类型为垂直/近垂直下方来袭；
控制模块用于控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态；
其中，所述调整车体状态包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构及调节车辆底盘高度；所述调整行驶状态包括确定并切换转向模式、调整车辆机动模式。
在调整时，轮履控制模块控制车轮胎压升降和车轮轮履结构切换；当路面是松软或泥泞路面时，轮履控制模块控制前后轴车轮降低胎压，中间轴车轮切换为履带式行走模式行走；当路面不是松软或泥泞路面时，轮履控制模块控制前后轴车轮保持正常胎压，中间轴车轮切换为轮式行走模式行走。
同时，车位控制模块控制车辆底盘高度升高至最高位，按照高位行驶状态行驶。
完成后，转向控制模块确定为快速转向模式进行快速转向；
最后，驱动控制模块控制车辆机动模式为快速直行模式，以直行轨迹线快速机动，完成整个外部突发状况的三轴无人车应对车辆调整。
同理，为了更好的理解和实施，最后将结合具体实施例5，以对三轴无人车应对野外特种任务的控制策略100和三轴无人车应对野外特种任务的控制系统200做进一步详细说明。
具体实施例5
如图14所示，三轴无人车应对野外特种任务的控制策略，包括以下步骤：
通过获取模块获取远程野外特种任务信息、无人车载荷信息及外部实时环境信息；
解析模块解析远程侦察任务信息；
无人车载荷控制模块基于解析结果和无人车载荷信息，控制无人车载荷工作；无人车载荷至少包括有无人车排障设备、目标观瞄设备。
同时，
确定模块基于解析结果和外部实时环境信息，确定是否在存在外部突发状况；
其中，
当基于判断结果存在外部突发状况，执行模块执行外部突发状况应对策略步骤；
当确定结果不存在外部突发状况，基于外部实时环境信息，车辆控制模块控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态；其中，所述调整车体状态包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构、调节车辆底盘高度及调整车体倾角；所述调整行驶状态包括确定转向模式和调整车辆机动模式。
在调整时，轮履控制模块控制车轮胎压升降和车轮轮履结构切换；当路面是松软或泥泞路面时，轮履控制模块控制前后轴车轮降低胎压，中间轴车轮切换为履带式行走模式行走；当路面不是松软或泥泞路面时，轮履控制模块控制前后轴车轮保持正常胎压，中间轴车轮切换为轮式行走模式行走。
同时，车位控制模块根据路车辆路面情况、倾斜度、速度等选择是否控制车辆底盘进行高度调整。
同时，车体倾角控制模块根据路车辆路面情况、倾斜度、速度等选择是否控制车辆师父调整车体倾角。
而转向控制模块确定车辆为正常转向模式进行车体转向；
最后，驱动控制模块控制车辆机动模式为正常模式快速机动，完成整个车辆结构和状态调整。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.三轴无人车应对野外特种任务的控制策略，其特征在于，包括，
获取远程野外特种任务信息、无人车载荷信息及外部实时环境信息；
解析远程野外特种任务信息；
基于解析结果和无人车载荷信息，控制无人车载荷工作；
基于解析结果和外部实时环境信息，确定是否存在外部突发状况；
当确定结果存在外部突发状况，执行外部突发状况应对策略步骤；
或，
当确定结果不存在外部突发状况，基于外部实时环境信息，控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态；
其中，所述调整车体状态包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构、调节车辆底盘高度及调整车体倾角；所述调整行驶状态包括确定转向模式和调整车辆机动模式。
2.根据权利要求1所述的三轴无人车应对野外特种任务的控制策略，其特征在于，所述实时环境信息至少包括行驶环境信息、车辆行驶信息、车辆结构参数信息及外部环境光电信息；所述无人车载荷信息至少包括无人车载荷功能信息、无人车载荷分类信息。
3.根据权利要求1所述的三轴无人车应对野外特种任务的控制策略，其特征在于，所述外部突发状况通过智能识别评估方法确定，所述智能识别评估方法包括：
获取实时环境信息，提取疑似突发状况中目标的目标分类信息；
基于分类信息，对疑似突发状况中的目标进行识别和危险程度评估；
基于识别和危险程度评估结果，确定疑似突发状况是否属于外部突发状况。
4.根据权利要求1所述的三轴无人车应对野外特种任务的控制策略，其特征在于，所述外部突发状况应对策略步骤包括：
获取实时环境信息；
提取实时环境信息中外部突发状况中目标的目标分类信息；
基于目标分类信息，确定突发状况类型；
基于确定结果和外部实时环境信息，控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态；
其中，所述调整车体状态包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构及调节车辆底盘高度；所述调整行驶状态包括确定转向模式和调整车辆机动模式。
5.根据权利要求4所述的三轴无人车应对野外特种任务的控制策略，其特征在于，所述目标分类信息至少包括外部突发状况的位置、速度、方向及高度。
6.根据权利要求4所述的三轴无人车应对野外特种任务的控制策略，其特征在于，所述确定突发状况类型包括：确定疑似突发状况属于外部突发状况时，基于目标分类信息和危险程度评估，确定突发状况类型；
所述突发状况类型至少包括远距离横向或斜横向突发状况、近距离横向或斜横向突发状况、垂直或近垂直上方突发状况、垂直或近垂直下方突发状况中的一种。
7.根据权利要求1或4所述的三轴无人车应对野外特种任务的控制策略，其特征在于，所述升降车轮胎压、切换车轮轮履结构包括：
若路面是松软或泥泞路面，则三轴无人车的前轴和后轴车轮降低胎压，中间轴将车轮切换为履带式行走；
若路面不是松软或泥泞路面，则三轴无人车的前轴和后轴车轮胎压不变保持正常，中间轴将车轮切换为轮式行走。
8.根据权利要求7所述的三轴无人车应对野外特种任务的控制策略，其特征在于，所述松软或泥泞路面的判断方法包括：
计算中间轴车轮在松软地形行进时能承受来自地面的最大水平方向剪切力τmax，计算公式为：
Figure FDA0003186530800000021
式中，c为常数，σ为地面所承受载荷，
Figure FDA0003186530800000022
为剪切角；
获取地面沉陷量z与地面所承受载荷σ之间的关系，地面沉陷量z与地面所承受载荷σ之间的关系用过以下公式计算获取：
Figure FDA0003186530800000023
式中，b为中间轴车轮与地面之间接触面积的短边长也即即接触宽度，n为土体变形的指数，kc为土体变形的粘聚力模量和kφ为土体变形的摩擦系数；
通过公式(2)转换获得地面所承受载荷σ关系式：
Figure FDA0003186530800000024
基于中间轴车轮在松软地形行进时竖直方向受力平衡，获得竖直方向平衡公式：
Figure FDA0003186530800000025
式中，G为垂直作用力，δ为积分变量，l为接触长度，δM为接触点与车轮垂直中心线的夹角；
R'为与地面实时接触的部件半径，且有：
Figure FDA0003186530800000031
式中，RW为轮式行走的部件半径，RT为履带式行走时的等效半径，α为轮辋变形角度；
基于公式(1)～公式(5)，通过近似处理，得到在相同负载条件下，中间轴车轮在松软地形的沉陷量ZM和轮辋变形角度α之间的表达式：
Figure FDA0003186530800000032
计算中间轴车轮在松软地形行进时水平方向牵引力F，得到：
Figure FDA0003186530800000033
结合公式(1)、(2)、(3)及(7)，得到在相同负载条件下，中间轴车轮在松软地形所能提供的最大牵引力F与轮辋变形角度α之间的关系：
Figure FDA0003186530800000034
基于公式(1)～公式(8)，求解中间轴车轮分别为履带式行走和轮式行走时需求的牵引力相同时的沉陷量Zt；
基于公式(1)～公式(8)，求解中间轴车轮实际行走时的实际沉陷量Zs；
比较：
若Zs＞Zt，则判断路面为松软或泥泞路面，采用履带式行走；
若Zs＜Zt，则判断路面为非松软或非泥泞路面，采用轮式行走。
9.根据权利要求1所述的三轴无人车应对野外特种任务的控制策略，其特征在于，所述调整车体倾角包括：
基于远程野外特种任务信息、无人车载荷信息及外部实时环境信息，选择是否调整车体倾斜角度。
10.三轴无人车应对野外特种任务的控制系统，其特征在于，包括，
获取模块，用于获取远程野外特种任务信息、无人车载荷信息及外部实时环境信息；
解析模块，用于解析远程野外特种任务信息；
无人车载荷控制模块，用于基于远程野外特种任务信息或解析结果，控制无人车载荷工作；
确定模块，用于基于解析结果，确定是否存在外部突发状况；
执行模块，用于确定结果存在外部突发状况时，执行外部突发状况应对策略步骤；
或，
车辆控制模块，用于基于远程野外特种任务信息或确定结果不存在外部突发状况时，控制三轴无人车调整车体状态和行驶状态；
其中，所述调整车体状态包括升降车轮胎压、切换车轮轮履结构、调节车辆底盘高度及调整车体倾角；所述调整行驶状态包括确定转向模式和调整车辆机动模式。
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