11和信息處 理單元512,且信息處理單元512內(nèi)預(yù)設(shè)期望速度。測速傳感器511用于實時測量球殼1的 速度，并將速度信息反饋給信息處理單元512。信息處理單元512根據(jù)當(dāng)前球殼1的速度與 其內(nèi)預(yù)設(shè)的期望速度的誤差，調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)2的輸出轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩作用于球殼1，由于球殼1與 驅(qū)動電機(jī)2剛性連接，因此對驅(qū)動電機(jī)座3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(jī)座3帶動單擺4擺動，單擺4的擺動將會導(dǎo)致本發(fā)明的重心偏離，單擺4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1克服滾動摩阻，開始滾動， 測速傳感器511實時傳送球殼1的速度給信息處理單元512,信息處理單元512不斷調(diào)節(jié)驅(qū) 動電機(jī)2的輸出轉(zhuǎn)矩，使誤差趨向于0,從而使本發(fā)明按期望速度勻速運動。
[0016] 角度測量機(jī)構(gòu)52用于測量球殼1勻速運動時單擺4的擺角，其可以采用加速度計 和陀螺儀。
[0017] 當(dāng)球殼1達(dá)到勻速運動時，單擺4對球殼1的偏心力矩等于地面對球殼1的滾動 摩阻。此時，單擺4相對于球心有一個旋轉(zhuǎn)角度，角度測量機(jī)構(gòu)52利用加速度計和陀螺儀 測得此時單擺4的角度信號。
[0018] 如圖3所示，當(dāng)本發(fā)明達(dá)到勻速運動時，角度測量機(jī)構(gòu)52中的陀螺儀和加速度計 將測得的單擺4擺角信號傳遞給運算機(jī)構(gòu)53,運算機(jī)構(gòu)53由公式（4)實時推導(dǎo)出地面的滾 動摩阻系數(shù)，滾動摩阻系數(shù)的推算過程如下：
[0019] 由公式（1)可知，在本發(fā)明質(zhì)量一定的時候，滾動摩阻與滾動摩阻系數(shù)存在-- 對應(yīng)的關(guān)系；由公式（2)可知，單擺4的擺角與滾動摩阻也存在一個對應(yīng)關(guān)系，由公式（1) 和公式（2)可得到此時單擺4擺角與滾動摩阻系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如公式（3)所示。
[0020] Tf= μ Mg (1)
[0021] mgl sin θ = τ f (2)
[0022] mgl sin θ = μ Mg (3)
[0023] 式中，τ f為地面對球殼1的滾動摩阻，μ為滾動摩阻系數(shù);M為本發(fā)明的質(zhì)量，g 為重力加速度，1為單擺4的擺長，m為單擺4的質(zhì)量，Θ為穩(wěn)定時的單擺4的擺角。
[0025] 式中，μ為滾動摩阻系數(shù)，m為單擺4的質(zhì)量，M為本發(fā)明的質(zhì)量，1為單擺4的擺 長，Θ為穩(wěn)定時的單擺4擺角。
[0026] 電源機(jī)構(gòu)54為驅(qū)動電機(jī)2和控制模塊5供電。
[0027] 上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都 是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
【主權(quán)項】
1. 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(jī)的輸出軸，所述驅(qū)動電機(jī)固定連接一驅(qū)動電機(jī) 座，所述驅(qū)動電機(jī)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(jī)的輸出軸與所述 驅(qū)動電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)矩來控制所述球殼 運動；所述驅(qū)動電機(jī)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。2. 如權(quán)利要求1所述的一種面向非結(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：所述控制模塊包括速度控制機(jī)構(gòu)、角度測量機(jī)構(gòu)、運算機(jī)構(gòu)和電源機(jī)構(gòu)；所述速度 控制機(jī)構(gòu)用于控制所述球殼保持勻速運動；所述角度測量機(jī)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(jī)構(gòu)；所述運算機(jī)構(gòu)根據(jù)擺角計算滾動摩 阻系數(shù)；所述電源機(jī)構(gòu)為所述驅(qū)動電機(jī)和所述控制模塊供電。3. 如權(quán)利要求2所述的一種面向非結(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：所述速度控制機(jī)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(yù)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(dāng)前所述球殼的速度與其內(nèi)預(yù)設(shè)的期望速度的誤差，調(diào) 節(jié)所述驅(qū)動電機(jī)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(jī)剛性連 接，因此對所述驅(qū)動電機(jī)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(jī) 座帶動所述單擺擺動，所述單擺的擺動導(dǎo)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(jī)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。4. 如權(quán)利要求2或3所述的一種面向非結(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：所述運算機(jī)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。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種面向非結(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，球殼內(nèi)表面上剛性連一驅(qū)動電機(jī)的輸出軸，驅(qū)動電機(jī)固定連接一驅(qū)動電機(jī)座，驅(qū)動電機(jī)座通過其支撐桿連接球殼內(nèi)表面，且驅(qū)動電機(jī)的輸出軸與驅(qū)動電機(jī)座的支撐桿在同一條直線上，實現(xiàn)通過控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來控制球殼運動；驅(qū)動電機(jī)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。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(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受外界環(huán)境的破壞。因此，本發(fā)明可以廣泛用于輪式移動機(jī)器人控制和月球探測等領(lǐng)域。
【IPC分類】G01N19/02
【公開號】CN105181573
【申請?zhí)枴緾N201510334798
【發(fā)明人】岳明, 安聰, 李南, 孫曉潔
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年6月16日