一种面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种地面滚动摩阻系数感知器，特别是关于一种面向非结构化环境的 地面滚动摩阻系数球形感知器。
【背景技术】
[0002] 任何轮式移动机器人或车辆在行驶过程中，不可避免的受到来自地面的滚动摩 阻。在非结构化环境下，地面的表面物质、粗糙度和强度不均，结构变化不规律且不稳定， 这会引起滚动摩阻的不规则变化，对轮式移动机器人或车辆的行驶造成很大的干扰。如果 能够对非结构化环境下的地面滚阻进行数据收集和信息处理，使机器人在复杂环境下提前 认知地面的滚动摩阻系数，从而得到运动过程中受到的滚动摩阻，会对提高机器人行驶稳 定性有重要作用。而现有的地面滚动摩阻参数的测定有两大不足：1)车轮上无法安装传感 器，大都基于实验的方法，实地的测量地面物理参数，这种实验的方法只能对某一具体路面 进行测定，甚至在某些非结构化环境（如月球）下无法进行测定；2)由其他参数变量反演 滚动摩阻的机理公式复杂，准确性差。
【发明内容】
[0003] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种解决实验方法只能对某一具体路面进行 测定的不足、且在非结构化环境下无法进行测定的面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数 球形感知器。
[0004] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种面向非结构化环境的地面滚动 摩阻系数球形感知器，其特征在于：它包括一球壳，所述球壳内表面上刚性连接一驱动电机 的输出轴，所述驱动电机固定连接一驱动电机座，所述驱动电机座通过其支撑杆连接所述 球壳内表面，且所述驱动电机的输出轴与所述驱动电机座的支撑杆在同一条直线上，实现 通过控制所述驱动电机的转矩来控制所述球壳运动；所述驱动电机座上还固定连接一单 摆，且所述单摆的长度小于所述球壳的内部半径；所述单摆内部设置有用于控制所述球壳 运动速度和计算非结构化环境下地面滚动摩阻系数的控制模块。
[0005] 所述控制模块包括速度控制机构、角度测量机构、运算机构和电源机构；所述速度 控制机构用于控制所述球壳保持匀速运动；所述角度测量机构用于测量所述球壳匀速运动 时所述单摆的摆角，并将该摆角传送给所述运算机构；所述运算机构根据摆角计算滚动摩 阻系数；所述电源机构为所述驱动电机和所述控制模块供电。
[0006] 所述速度控制机构包括测速传感器和信息处理单元，且所述信息处理单元内预设 期望速度；所述测速传感器用于实时测量所述球壳的速度，并将速度信息反馈给所述信息 处理单元；所述信息处理单元根据当前所述球壳的速度与其内预设的期望速度的误差，调 节所述驱动电机的输出转矩，转矩作用于所述球壳，由于所述球壳与所述驱动电机刚性连 接，因此对所述驱动电机座产生一个大小相等、方向相反的反作用转矩，从而所述驱动电机 座带动所述单摆摆动，所述单摆的摆动导致面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感 知器的重心偏离，所述单摆的重力相对面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器 与地面的接触点产生一个偏心转矩，从而所述驱动球壳克服滚动摩阻，开始滚动，所述测速 传感器实时传送所述球壳的速度给所述信息处理单元，所述信息处理单元不断调节所述驱 动电机的输出转矩，从而使面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器按期望速度 勾速运动。
[0007] 所述运算机构根据. 计算非结构化环境下地面滚动摩阻系数μ，式中， m为所述单摆的质量，M为面向非结构化环境的地面滚动摩阻系数球形感知器的质量，1为 所述单摆的摆长，Θ为匀速运动时的所述单摆的摆角。
[0008] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用一球壳，球壳 内表面上刚性连一驱动电机的输出轴，驱动电机固定连接一驱动电机座，驱动电机座通过 其支撑杆连接球壳内表面，且驱动电机的输出轴与驱动电机座的支撑杆在同一条直线上， 实现通过控制驱动电机的转矩来控制球壳运动；驱动电机座上还固定连接一单摆，且单摆 的长度小于球壳的内部半径；单摆内部设置有用于控制球壳运动速度和计算非结构化环境 下地面滚动摩阻系数的控制模块。控制模块通过调节驱动电机的输出转矩，转矩作用于球 壳，由于球壳与驱动电机刚性连接，因此对驱动电机座产生一个大小相等、方向相反的反作 用转矩，从而驱动电机座带动单摆摆动，单摆的摆动将会导致本发明的重心偏离，单摆的重 力相对本发明与地面的接触点产生一个偏心转矩，从而驱动球壳克服滚动摩阻。然后通过 球壳匀速运动时的摆角，计算出地面的滚动摩阻系数，从而实现不受环境限制的非结构化 环境下的地面探测。本发明由于采用上述设置，机械结构简单、成本低，因此可以批量生产。 2、本发明由于采用球形封闭设计，无棱无角，在发生碰撞时，不易倾覆，且有效的保护内部 结构不受外界环境的破坏。3、本发明采用机械结构测量非结构化环境工作下的感知器的摆 角信息，结构可靠，只利用摆角信息这单一变量即可测定滚动摩阻参数，机理简单有效，且 适用于恶劣的工作条件，可靠性高。鉴于以上理由，本发明可以广泛用于轮式移动机器人控 制和月球探测等领域。
【附图说明】
[0009] 图1是本发明结构示意图
[0010] 图2是本发明匀速运动控制过程示意图
[0011] 图3是本发明滚动摩阻系数测定过程示意图
【具体实施方式】
[0012] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0013] 本发明包括一球壳1，球壳1内表面上刚性连接一驱动电机2的输出轴21，驱动电 机2固定连接一驱动电机座3,驱动电机座3通过其支撑杆31连接球壳1内表面，且驱动电 机2的输出轴21与驱动电机座3的支撑杆31在同一条直线上，驱动电机座3的支撑杆31 与球壳1可发生相对转动。驱动电机座3上还固定连接一单摆4,且单摆4的长度小于球壳 1的内部半径。单摆4内部设置有用于控制球壳1运动速度和计算非结构化环境下地面滚 动摩阻系数的控制模块5。
[0014] 控制模块5包括速度控制机构51、角度测量机构52、运算机构53和电源机构54。
[0015] 速度控制机构51用于控制球壳1保持匀速运动，其包括测速传感器5