一種面向非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的地面滾動摩阻系數(shù)球形感知器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種地面滾動摩阻系數(shù)感知器，特別是關(guān)于一種面向非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的 地面滾動摩阻系數(shù)球形感知器。
【背景技術(shù)】
[0002] 任何輪式移動機器人或車輛在行駛過程中，不可避免的受到來自地面的滾動摩 阻。在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，地面的表面物質(zhì)、粗糙度和強度不均，結(jié)構(gòu)變化不規(guī)律且不穩(wěn)定， 這會引起滾動摩阻的不規(guī)則變化，對輪式移動機器人或車輛的行駛造成很大的干擾。如果 能夠?qū)Ψ墙Y(jié)構(gòu)化環(huán)境下的地面滾阻進行數(shù)據(jù)收集和信息處理，使機器人在復雜環(huán)境下提前 認知地面的滾動摩阻系數(shù)，從而得到運動過程中受到的滾動摩阻，會對提高機器人行駛穩(wěn) 定性有重要作用。而現(xiàn)有的地面滾動摩阻參數(shù)的測定有兩大不足：1)車輪上無法安裝傳感 器，大都基于實驗的方法，實地的測量地面物理參數(shù)，這種實驗的方法只能對某一具體路面 進行測定，甚至在某些非結(jié)構(gòu)化環(huán)境（如月球）下無法進行測定；2)由其他參數(shù)變量反演 滾動摩阻的機理公式復雜，準確性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種解決實驗方法只能對某一具體路面進行 測定的不足、且在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下無法進行測定的面向非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的地面滾動摩阻系數(shù) 球形感知器。
[0004] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種面向非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的地面滾動 摩阻系數(shù)球形感知器，其特征在于：它包括一球殼，所述球殼內(nèi)表面上剛性連接一驅(qū)動電機 的輸出軸，所述驅(qū)動電機固定連接一驅(qū)動電機座，所述驅(qū)動電機座通過其支撐桿連接所述 球殼內(nèi)表面，且所述驅(qū)動電機的輸出軸與所述驅(qū)動電機座的支撐桿在同一條直線上，實現(xiàn) 通過控制所述驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩來控制所述球殼運動；所述驅(qū)動電機座上還固定連接一單 擺，且所述單擺的長度小于所述球殼的內(nèi)部半徑；所述單擺內(nèi)部設(shè)置有用于控制所述球殼 運動速度和計算非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下地面滾動摩阻系數(shù)的控制模塊。
[0005] 所述控制模塊包括速度控制機構(gòu)、角度測量機構(gòu)、運算機構(gòu)和電源機構(gòu)；所述速度 控制機構(gòu)用于控制所述球殼保持勻速運動；所述角度測量機構(gòu)用于測量所述球殼勻速運動 時所述單擺的擺角，并將該擺角傳送給所述運算機構(gòu)；所述運算機構(gòu)根據(jù)擺角計算滾動摩 阻系數(shù)；所述電源機構(gòu)為所述驅(qū)動電機和所述控制模塊供電。
[0006] 所述速度控制機構(gòu)包括測速傳感器和信息處理單元，且所述信息處理單元內(nèi)預設(shè) 期望速度；所述測速傳感器用于實時測量所述球殼的速度，并將速度信息反饋給所述信息 處理單元；所述信息處理單元根據(jù)當前所述球殼的速度與其內(nèi)預設(shè)的期望速度的誤差，調(diào) 節(jié)所述驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩作用于所述球殼，由于所述球殼與所述驅(qū)動電機剛性連 接，因此對所述驅(qū)動電機座產(chǎn)生一個大小相等、方向相反的反作用轉(zhuǎn)矩，從而所述驅(qū)動電機 座帶動所述單擺擺動，所述單擺的擺動導致面向非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的地面滾動摩阻系數(shù)球形感 知器的重心偏離，所述單擺的重力相對面向非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的地面滾動摩阻系數(shù)球形感知器 與地面的接觸點產(chǎn)生一個偏心轉(zhuǎn)矩，從而所述驅(qū)動球殼克服滾動摩阻，開始滾動，所述測速 傳感器實時傳送所述球殼的速度給所述信息處理單元，所述信息處理單元不斷調(diào)節(jié)所述驅(qū) 動電機的輸出轉(zhuǎn)矩，從而使面向非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的地面滾動摩阻系數(shù)球形感知器按期望速度 勾速運動。
[0007] 所述運算機構(gòu)根據(jù). 計算非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下地面滾動摩阻系數(shù)μ，式中， m為所述單擺的質(zhì)量，M為面向非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的地面滾動摩阻系數(shù)球形感知器的質(zhì)量，1為 所述單擺的擺長，Θ為勻速運動時的所述單擺的擺角。
[0008] 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明由于采用一球殼，球殼 內(nèi)表面上剛性連一驅(qū)動電機的輸出軸，驅(qū)動電機固定連接一驅(qū)動電機座，驅(qū)動電機座通過 其支撐桿連接球殼內(nèi)表面，且驅(qū)動電機的輸出軸與驅(qū)動電機座的支撐桿在同一條直線上， 實現(xiàn)通過控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩來控制球殼運動；驅(qū)動電機座上還固定連接一單擺，且單擺 的長度小于球殼的內(nèi)部半徑；單擺內(nèi)部設(shè)置有用于控制球殼運動速度和計算非結(jié)構(gòu)化環(huán)境 下地面滾動摩阻系數(shù)的控制模塊。控制模塊通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩作用于球 殼，由于球殼與驅(qū)動電機剛性連接，因此對驅(qū)動電機座產(chǎn)生一個大小相等、方向相反的反作 用轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動電機座帶動單擺擺動，單擺的擺動將會導致本發(fā)明的重心偏離，單擺的重 力相對本發(fā)明與地面的接觸點產(chǎn)生一個偏心轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動球殼克服滾動摩阻。然后通過 球殼勻速運動時的擺角，計算出地面的滾動摩阻系數(shù)，從而實現(xiàn)不受環(huán)境限制的非結(jié)構(gòu)化 環(huán)境下的地面探測。本發(fā)明由于采用上述設(shè)置，機械結(jié)構(gòu)簡單、成本低，因此可以批量生產(chǎn)。 2、本發(fā)明由于采用球形封閉設(shè)計，無棱無角，在發(fā)生碰撞時，不易傾覆，且有效的保護內(nèi)部 結(jié)構(gòu)不受外界環(huán)境的破壞。3、本發(fā)明采用機械結(jié)構(gòu)測量非結(jié)構(gòu)化環(huán)境工作下的感知器的擺 角信息，結(jié)構(gòu)可靠，只利用擺角信息這單一變量即可測定滾動摩阻參數(shù)，機理簡單有效，且 適用于惡劣的工作條件，可靠性高。鑒于以上理由，本發(fā)明可以廣泛用于輪式移動機器人控 制和月球探測等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖
[0010] 圖2是本發(fā)明勻速運動控制過程示意圖
[0011] 圖3是本發(fā)明滾動摩阻系數(shù)測定過程示意圖
【具體實施方式】
[0012] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
[0013] 本發(fā)明包括一球殼1，球殼1內(nèi)表面上剛性連接一驅(qū)動電機2的輸出軸21，驅(qū)動電 機2固定連接一驅(qū)動電機座3,驅(qū)動電機座3通過其支撐桿31連接球殼1內(nèi)表面，且驅(qū)動電 機2的輸出軸21與驅(qū)動電機座3的支撐桿31在同一條直線上，驅(qū)動電機座3的支撐桿31 與球殼1可發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。驅(qū)動電機座3上還固定連接一單擺4,且單擺4的長度小于球殼 1的內(nèi)部半徑。單擺4內(nèi)部設(shè)置有用于控制球殼1運動速度和計算非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下地面滾 動摩阻系數(shù)的控制模塊5。
[0014] 控制模塊5包括速度控制機構(gòu)51、角度測量機構(gòu)52、運算機構(gòu)53和電源機構(gòu)54。
[0015] 速度控制機構(gòu)51用于控制球殼1保持勻速運動，其包括測速傳感器5