一種基于車轍信息的車輪滑轉(zhuǎn)率和側(cè)偏角測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及車輪滑轉(zhuǎn)率和側(cè)偏角的測(cè)量方法，尤其涉及一種基于車轍信息的車輪 滑轉(zhuǎn)率和側(cè)偏角測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，美國(guó)相繼發(fā)射了 Sojouner ( "索杰娜"）、Spirit( "勇氣 號(hào)"）和Opp〇rtunity( "機(jī)遇號(hào)"），世界航天大國(guó)掀起了運(yùn)用星球探測(cè)車進(jìn)行星球探測(cè)的 熱潮。美國(guó)的MSL(Mars Science Lab)任務(wù)中的Curiosity ( "好奇號(hào)"）火星車在火星的 探索活動(dòng)更是成為了大家的焦點(diǎn)。中國(guó)的"嫦娥"探月工程預(yù)計(jì)于2013發(fā)射月球車，對(duì)月 球進(jìn)行探索。復(fù)雜未知的外星球環(huán)境為移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。
[0003] 星球探測(cè)車工作在松軟崎嶇的外星球環(huán)境下，會(huì)發(fā)生車輪滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。車輪滑轉(zhuǎn)程 度是通過(guò)滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行描述的?；D(zhuǎn)率的定義如下：
[0004]
(1)
[0005] s為車輪滑轉(zhuǎn)率，V為車輪實(shí)際前進(jìn)速度，r為車輪半徑，ω為車輪旋轉(zhuǎn)速度，Γω 為理論圓周速度。當(dāng)s>0時(shí)，車輪處于滑轉(zhuǎn)狀態(tài)，車輪前進(jìn)線速度小于圓周速度；s = 0時(shí)， 車輪處于純滾動(dòng)狀態(tài)，車輪前進(jìn)線速度等于圓周速度；當(dāng)s〈〇時(shí)，車輪處于滑轉(zhuǎn)狀態(tài)，前進(jìn) 線速度大于圓周速度。
[0006] 在一般情況下，星球車工作于松軟崎嶇的外星球表面。星球車車輪在松軟崎嶇地 形中運(yùn)動(dòng)常伴隨打滑，其打滑形式主要有縱向滑轉(zhuǎn)和側(cè)向滑轉(zhuǎn)兩種。當(dāng)星球車車輪在松軟 土壤上滾動(dòng)時(shí)，與土壤發(fā)生剪切破壞作用，產(chǎn)生縱向滑轉(zhuǎn)。當(dāng)路面崎嶇時(shí)，車體的重力會(huì)沿 著車體朝向方向的軸向產(chǎn)生橫向分量。在這個(gè)橫向分量作用下，星球車車輪產(chǎn)生橫向滑轉(zhuǎn)， 即側(cè)滑。特別是當(dāng)星球車橫過(guò)斜坡時(shí)，星球車車輪側(cè)滑現(xiàn)象特別明顯。
[0007] 評(píng)價(jià)星球探測(cè)車側(cè)滑狀態(tài)的指標(biāo)是車輪側(cè)偏角，側(cè)偏角的定義如下：
[0008]
(2)
[0009] 其中，！^為車輪的側(cè)偏角，代表了車輪的切向線速度與實(shí)際行進(jìn)速度之間的夾 角，Vx為車輪切向線速度，V為車輪實(shí)際的行進(jìn)速度，β 3的范圍為〇~90°。
[0010] 2005年，"機(jī)遇號(hào)"火星車陷入火星松軟的砂壤中。"機(jī)遇號(hào)"發(fā)生沉陷時(shí)，一個(gè)重 要的現(xiàn)象是車輪嚴(yán)重打滑，滑轉(zhuǎn)率過(guò)大。通過(guò)準(zhǔn)確檢測(cè)滑轉(zhuǎn)率，可以為星球車沉陷發(fā)出預(yù)警 信息，從而避免陷車。
[0011] 星球探測(cè)車打滑會(huì)浪費(fèi)大量的能量，星球探測(cè)車大多數(shù)依靠太陽(yáng)能供電，單位時(shí) 間內(nèi)產(chǎn)生的能量有限，所以對(duì)于滑轉(zhuǎn)率的控制也是星球探測(cè)任務(wù)需要考慮的問(wèn)題。準(zhǔn)確檢 測(cè)滑轉(zhuǎn)率是對(duì)滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行控制的必要前提。將滑轉(zhuǎn)率信息作為反饋信息傳輸給星球探測(cè)車 的控制系統(tǒng)，是提高星球探測(cè)車防沉陷和移動(dòng)性能的必要前提。實(shí)現(xiàn)對(duì)星球探測(cè)車車輪滑 轉(zhuǎn)率信息的自動(dòng)化檢測(cè)對(duì)于星球探測(cè)車的優(yōu)化控制有著重要的意義。
[0012] 滑轉(zhuǎn)率的測(cè)量一直是一個(gè)難題，使用被動(dòng)輪測(cè)量星球探測(cè)車滑轉(zhuǎn)率，方法簡(jiǎn)單，但 是被動(dòng)輪會(huì)與地面接觸，會(huì)對(duì)星球探測(cè)車受力情況產(chǎn)生干擾。
[0013] Nister在2004年首次提出用視覺(jué)里程計(jì)方法測(cè)量滑轉(zhuǎn)率。視覺(jué)里程計(jì)方法 檢測(cè)滑轉(zhuǎn)率是一種非接觸式測(cè)量方法，不會(huì)引入探測(cè)車與土壤間的作用力。JPUJet Propulsion Laboratory)的Yang Cheng等對(duì)星球探測(cè)車視覺(jué)里程計(jì)進(jìn)行了進(jìn)一步研究。 視覺(jué)里程計(jì)使用遠(yuǎn)心相機(jī)獲得車體與地面相對(duì)移動(dòng)的圖片，通過(guò)對(duì)比兩幅照片中的不同， 檢測(cè)整車線速度。用整車線速度和各車輪角速度間接估計(jì)各車輪滑轉(zhuǎn)率。但是此方法無(wú)法 直接觀測(cè)單個(gè)車輪滑轉(zhuǎn)情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有的測(cè)量星球探測(cè)車車輪滑轉(zhuǎn)率和側(cè)偏角的方法，被動(dòng)輪法存在 外力干擾而測(cè)不準(zhǔn)的問(wèn)題和視覺(jué)里程計(jì)法無(wú)法直接觀測(cè)單個(gè)車輪滑轉(zhuǎn)的問(wèn)題，而提出一種 基于車轍信息的車輪滑轉(zhuǎn)率和側(cè)偏角測(cè)量方法。
[0015] 本發(fā)明的理論基礎(chǔ)：
[0016] 車轍的形成過(guò)程：
[0017] 車轍的形成主要是由于輪刺與土壤的相互作用過(guò)程，可分為三段，分別是輪刺進(jìn) 入土壤段、輪刺在土壤中滑轉(zhuǎn)段和輪刺與土壤離去段（見(jiàn)圖2)。在側(cè)滑的影響下，車輪在進(jìn) 入段、滑轉(zhuǎn)段和離去段都會(huì)產(chǎn)生車轍。
[0018] 進(jìn)入段是指從輪刺最頂端接觸土壤開(kāi)始，到整個(gè)輪刺進(jìn)入土壤結(jié)束。在進(jìn)入階段， 車轍的生成方向沿著輪刺的速度方向。
[0019] 輪刺在土壤中的滑轉(zhuǎn)階段是從輪刺全部進(jìn)入土壤開(kāi)始到輪刺將要滑轉(zhuǎn)出土壤為 止。與滑動(dòng)階段所需時(shí)間比，進(jìn)入土壤和分離土壤過(guò)程時(shí)間非常短暫，可以認(rèn)為是瞬態(tài)過(guò) 程，可以忽略。在滑轉(zhuǎn)過(guò)程中，輪刺做滑轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)土壤產(chǎn)生剪切破壞效應(yīng)，輪刺邊緣會(huì)在土 壤中劃出條狀深坑，輪轂會(huì)碾壓土壤，形成滑轉(zhuǎn)階段車轍紋理。
[0020] 離去階段是指輪刺將要離開(kāi)土壤開(kāi)始直到輪刺完全離開(kāi)土壤。在離去階段，車轍 形成主要是由于輪刺在離開(kāi)土壤時(shí)會(huì)將一部分土壤帶離土壤表面，隨著車輪的滾動(dòng)，這部 分土壤會(huì)重新滑落到地面。在離去階段，生成的車轍形狀與輪刺形狀有關(guān)。
[0021] 本發(fā)明采用的是直齒貫通式輪刺，離去段的車轍形狀為類似三棱柱的柱狀體深 坑。
[0022] 車轍構(gòu)造：
[0023] 車輪在縱向和側(cè)向滑轉(zhuǎn)耦合作用下，車轍分為車轍輪廓線和車輪碾壓區(qū)域（見(jiàn)圖 1)。在與土壤分離過(guò)程中，輪刺會(huì)將一部分土壤（輪刺上殘土）向后鏟離地面，形成的區(qū)域 為輪刺剪切區(qū)域。輪轂?zāi)雺盒纬傻膮^(qū)域?yàn)檩嗇災(zāi)雺簠^(qū)域。輪刺剪切區(qū)域與輪轂?zāi)雺簠^(qū)域形 成車輪碾壓區(qū)域。車輪碾壓區(qū)域與車輪非碾壓區(qū)域的界線稱為車轍輪廓線。一條完整的車 轍包括兩條車轍輪廓線和車輪碾壓區(qū)域。相鄰的輪刺剪切區(qū)域和輪轂?zāi)雺簠^(qū)域組成一個(gè)車 轍單元。
[0024] -種基于車轍信息的車輪滑轉(zhuǎn)率和側(cè)偏角測(cè)量方法，按以下步驟進(jìn)行：
[0025] -、確定車轍與車輪滑轉(zhuǎn)率和側(cè)偏角的關(guān)系：
[0026] 車輪前進(jìn)的距離隨滑轉(zhuǎn)率的增大而減小，車轍單元間距離也相應(yīng)減小，由此根據(jù) 車轍單元間距確定車輪的滑轉(zhuǎn)率；
[0027] 車輪的側(cè)偏角越大，車轍離去段與前進(jìn)方向的夾角越小，由此根據(jù)車轍單元的離 去段寬度和車轍單元的離去段長(zhǎng)度確定車輪的側(cè)偏角；
[0028] 二、建立車輪側(cè)偏角測(cè)量模型：
[0029] 通過(guò)技術(shù)手段獲得清晰的車轍圖片，將圖片按照車轍分析方法進(jìn)行劃分，對(duì)其中 的車轍離去段在水平面內(nèi)進(jìn)行分解，得到車轍離去段的長(zhǎng)度和寬度（見(jiàn)圖4)，這兩個(gè)值相 除即可得到車輪的側(cè)偏角；
[0030]
[0031] 其中：β s為車輪的側(cè)偏角，W1為車轍單元的離去段寬度，I i為車轍單元的離去段 長(zhǎng)度；
[0032] 三、建立車輪滑轉(zhuǎn)率測(cè)量模型：
[0033] 通過(guò)對(duì)車轍圖片的測(cè)量，得到車轍單元間距；利用滑轉(zhuǎn)率的定義公式和步驟二獲 得的β s，即可得到車輪沿車輪朝向方向的滑轉(zhuǎn)率；
[0034]
,
[0035] 其中，Sx為車輪朝向方向的滑轉(zhuǎn)率，Λ X p為車轍單元間距，η為車輪輪刺個(gè)數(shù)，β s 為車輪的側(cè)偏角，r為車輪半徑。
[0036] 本發(fā)明包括以下有益效果：
[0037] 1、本發(fā)明通過(guò)車轍信息準(zhǔn)確地計(jì)算出車輪滑轉(zhuǎn)率和側(cè)偏角，解決了現(xiàn)有技術(shù)問(wèn) 題，即被動(dòng)輪法存在外力干擾而測(cè)不準(zhǔn)的問(wèn)題和視覺(jué)里程計(jì)法無(wú)法直接觀測(cè)單個(gè)車輪滑轉(zhuǎn) 的問(wèn)題，具有速度快、精度高、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。