星球探测车运动模式生成及智能切换方法

1.本发明涉及星球探测车技术领域，具体而言，涉及一种星球探测车运动模式生成及智能切换方法。


背景技术：

2.目前在星球探测车中，仅根据车轮-主被动悬架的运动特点从概念上提出了五种基本步态，这是常规且模糊的分类，在第五种运动模式(抬轮)中，甚至没有规定什么情况算是抬轮状态，没有表明是一个、多个、哪个车轮被抬起，因为缺少步态的详细分类将使地球操作员难以了解远在火星探测器的运动状态，进而影响到星球探测车运动模式的切换。


技术实现要素：

3.本发明解决的问题是如何实现星球探测车运动模式的切换。
4.为解决上述问题，本发明提供一种星球探测车运动模式生成方法，应用于具有主动与被动悬架的星球车，包括：构建运动模式动作矩阵；简化所述运动模式动作矩阵，以确定所述星球探测车的单级基础动作组合；基于行驶工况和所述单级基础动作组合构建常规运动模式以建立所述星球探测车运动模式数据库，其中，所述常规运动模式包括轮式模式、蠕动模式、升降模式、蟹行模式、单侧抬轮翻越障碍模式、双侧抬轮翻越障碍模式和双侧抬轮爬越障碍模式。
5.本发明所述的星球探测车运动模式生成方法，通过将规则库以数字矩阵的形式呈现，可以显式地表达出星球车移动系统的动作形式和动作组合，实现了移动系统动作的量化表示，能够充分挖掘星球探测车移动系统所有的动作组合，进而实现星球探测车运动模式的切换。
6.可选地，所述构建运动模式动作矩阵包括：分别确定车轮转动关节、车轮转向关节、主摇臂铰接关节和副摇臂被动关节对应的元动作位符，将所述元动作位符依次按照矩阵形式排列以构建不同运动模式的动作矩阵。
7.本发明所述的星球探测车运动模式生成方法，通过将元动作位符依次按照矩阵形式排列以构建不同运动模式的动作矩阵，可以显式地表达出星球车移动系统的动作形式和动作组合，实现了移动系统动作的量化表示，能够充分挖掘星球探测车移动系统所有的动作组合。
8.可选地，所述简化所述运动模式动作矩阵包括：分别对所述车轮转动关节的动作组合简化、对所述车轮转向关节的动作组合简化、对关节间约束关系分析简化以及对相邻级之间的运动关系简化。
9.本发明所述的星球探测车运动模式生成方法，通过对运动模式动作矩阵进行简化处理，完整地给出了具有主动与被动悬架的星球车可实现的所有动作，进而能够建立星球探测车运动模式数据库。
10.可选地，所述对所述车轮转动关节的动作组合简化包括：在所述运动模式动作矩
阵中使用1表示驱动以及使用0表示静止；所述对所述车轮转向关节的动作组合简化包括：在所述运动模式动作矩阵中使用0表示静止、使用1表示瞬心转向以及使用2表示非瞬心转向；所述对关节间约束关系分析简化包括：分别基于所述主摇臂铰接关节与所述车轮转动关节的运动约束关系、所述主摇臂铰接关节内部的运动约束关系以及所述主摇臂铰接关节与所述车轮转向关节的运动约束关系对所述运动模式动作矩阵进行简化；所述对相邻级之间的运动关系简化包括：分别基于拆分关系和合并关系对所述运动模式动作矩阵进行简化。
11.本发明所述的星球探测车运动模式生成方法，通过对运动模式动作矩阵进行简化处理，完整地给出了具有主动与被动悬架的星球车可实现的所有动作，进而能够建立星球探测车运动模式数据库。
12.可选地，基于所述主摇臂铰接关节与所述车轮转动关节的运动约束关系对所述运动模式动作矩阵进行简化包括：若所述主摇臂铰接关节对应的元动作位符均为0，所述车轮转动关节对应的元动作位符可取0和1，否则所述车轮转动关节对应的元动作位符只能取1；基于所述主摇臂铰接关节内部的运动约束关系对所述运动模式动作矩阵进行简化包括：在所述运动模式动作矩阵中使用1表示所述主摇臂铰接关节之间张角增大、使用-1表示所述主摇臂铰接关节之间张角减小以及使用0表示静止；基于所述主摇臂铰接关节与所述车轮转向关节的运动约束关系对所述运动模式动作矩阵进行简化包括：在所述运动模式动作矩阵中使用0表示静止、使用1表示瞬心转向以及使用2表示非瞬心转向。
13.本发明所述的星球探测车运动模式生成方法，通过分别基于所述主摇臂铰接关节与所述车轮转动关节的运动约束关系、所述主摇臂铰接关节内部的运动约束关系以及所述主摇臂铰接关节与所述车轮转向关节的运动约束关系对所述运动模式动作矩阵进行简化，完整地给出了具有主动与被动悬架的星球车可实现的所有动作，进而能够建立星球探测车运动模式数据库。
14.可选地，所述拆分关系包括：若一级内存在多个类同时运动，则可将多个运动类拆开分布在多级运动；所述合并关系包括：可将多级的不同类运动合并为单级的有序多类运动。
15.本发明所述的星球探测车运动模式生成方法，基于拆分关系和合并关系对运动模式动作矩阵进行简化，完整地给出了具有主动与被动悬架的星球车可实现的所有动作，进而能够建立星球探测车运动模式数据库。
16.可选地，所述基于行驶工况和所述单级基础动作组合生成常规运动模式以建立星球探测车运动模式数据库包括：基于所述行驶工况确定所述星球探测车的牵引力要求、克服障碍要求和行驶轨迹要求，根据所述牵引力要求、所述克服障碍要求和所述行驶轨迹要求确定对称动作运动模式，根据所述对称动作运动模式生成常规运动模式以建立所述星球探测车运动模式数据库。
17.本发明所述的星球探测车运动模式生成方法，基于行驶工况和单级基础动作组合生成常规运动模式以建立星球探测车运动模式数据库，提高了运动模式分类的全面性，进而能够实现自适应控制过程中星球探测车运动状态的监测。
18.本发明还提供一种星球探测车运动模式智能切换方法，用于实现上述星球探测车运动模式生成方法所生成的常规运动模式中轮式模式和蠕动模式的切换，包括：基于模糊
控制原理实现所述轮式模式和所述蠕动模式的相互切换。
19.本发明所述的星球探测车运动模式智能切换方法，基于模糊控制原理实现轮式模式和蠕动模式的相互切换，有利于实现星球探测车运动模式的智能切换。
20.可选地，所述轮式模式切换为所述蠕动模式的具体过程包括：实时采样所述轮式模式的滑转率和滑转率变化率；对所述滑转率和所述滑转率变化率模糊处理得到模糊控制器的输出量；当所述输出量在第一范围内时，保持所述轮式模式不变，当所述输出量在第二范围内时，将所述轮式模式切换为所述蠕动模式。
21.本发明所述的星球探测车运动模式智能切换方法，基于模糊控制原理实现轮式模式切换为蠕动模式，有利于实现星球探测车运动模式的智能切换。
22.可选地，所述蠕动模式切换为所述轮式模式的具体过程包括：当前进指数在第三范围内时，执行模糊控制，具体包括：当所述蠕动模式一个运动模式周期内的能效指数处于冗余区时，降低驱动滑转率，若所述驱动滑转率降低至小于预设值时，所述能效指数仍处于所述冗余区，则将所述蠕动模式切换为所述轮式模式。
23.本发明所述的星球探测车运动模式智能切换方法，基于模糊控制原理实现蠕动模式切换为轮式模式，有利于实现星球探测车运动模式的智能切换。
附图说明
24.图1为本发明实施例的星球探测车运动模式生成方法的示意图；
25.图2为本发明实施例的瞬心转向的示意图；
26.图3为本发明实施例的非瞬心转向的示意图；
27.图4为本发明实施例的瞬心转向的俯视图和左视图；
28.图5为本发明实施例的星球探测车运动模式等级评定系统；
29.图6为本发明实施例的轮式模式切换蠕动模式模糊逻辑实现流程图；
30.图7为本发明实施例的基于能效指数控制的控制原理图。
具体实施方式
31.本专利可以应用于具有主动与被动悬架的星球车，例如登陆火星的星球探测车祝融号。祝融号与其它探测器的不同之处在于，车轮主动悬架配装电机、被动悬架转配离合器，具有主动升降能力。此探测器的机械构型可实现多种运动模式，但一共可实现多少种运动模式，使用怎样的方式分类，成为星球车运动控制的新难点，因为车体运动姿态与地形起伏的匹配是保护星球车安全运行的关键，合理的分类方式既是控制策略制定的基础，又是监测车体运动状态的关键技术。
32.关于祝融号车体构型，主摇臂绞接点处装配电机，可以调整主摇臂前段与后段的角度(一个电机在同一点连接两个臂，所以电机运转可同时调整前臂和后臂的旋转)；主摇臂与副摇臂之间的绞接点装配离合器，可以调整主摇臂后段与副摇臂之间的夹角(离合器闭合时，不可发生相对运动；松开时，两个悬架可自由绕绞接点运动，一般是中轮和后轮所处地形起伏不同导致运动)；副摇臂前后段为一体结构，不可发生相对运动。
33.几年前，中国提出了新的星球车构型，当前的研究证明出：此构型是合理实用的，它可以实现5个基本的运动模式：轮式(仅车轮滚动)运动模式、蟹形运动模式、蠕动运动模
式、升降运动模式、抬轮运动模式。但这样的分类是不全面的，虽然可在人工指令控制的情况下满足很多地形的需求，但是车体无法实现自适应控制。一方面因为缺少这五种模式之间的过度模式描述，另一方面也不知道共可实现多少种运动模式，为控制部分中什么情况下用什么模式提出了新的难题。
34.现有星球探测车的监测普遍存在以下问题：1)无法分辨车体各运动状态间的关系；2)在运动控制策略设计时，没有基础的标准；因此本发明提出了一种具有主动与被动悬架的星球车的运动模式生成方法，可以基于生成的星球车运动模式实现对模式分类和监测的工程应用；具有主动与被动悬架的星球车的运动模式设计，就是找到在不同地形工况下，以及在不同移动要求下，星球车主动悬架系统的不同动作形式。不同的动作形式具备不同的力学性能和不同的运动特点。对于星球车的运动模式设计，首先在对星球车移动系统构型分析的基础上，遍历其中各个机构的运动组合形式，再将各种不同的运动组合与相应的工况以及移动能力分析相结合，找到不同的环境和工况对应的最佳动作组合。将这一系列能够具体适应不同环境和移动要求的主动悬架的相应动作组合叫做具有主动与被动悬架的星球车的运动模式。接着可以设计运动模式监测系统，判断星球车当前运动的难度等级，和正在使用的运动模型。可警示操作员，当前星球车的运行状态及星球车所处地形的崎岖(起伏)程度。
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
36.如图1所示，本发明实施例提供一种星球探测车运动模式生成方法，应用于具有主动与被动悬架的星球车，包括：构建运动模式动作矩阵；简化所述运动模式动作矩阵，以确定所述星球探测车的单级基础动作组合；基于行驶工况和所述单级基础动作组合生成常规运动模式以建立星球探测车运动模式数据库，其中，所述常规运动模式包括轮式模式、蠕动模式、升降模式、蟹行模式、单侧抬轮翻越障碍模式、双侧抬轮翻越障碍模式和双侧抬轮爬越障碍模式。
37.具体地，在本实施例中，运动模式动作规则库，是将星球车移动系统不同构件的动作进行可视化的方法。将规则库以数字矩阵的形式呈现，可以显式地表达出星球车移动系统的动作形式和动作组合。以往的运动模式设计，均是根据人的主观经验进行的猜想式设计，其不足之处在于难以穷尽所有的动作组合。矩阵化表示后，便实现了移动系统动作的量化表示，为充分挖掘出其移动系统的所有动作组合打下了基础。
38.对于分析星球车的运动模式种类而言，无需对移动系统中的所有关节运动数值进行定量分析，只需要对关节运动形式在空间和时间上的排布进行分析即可。各个悬架转动关节在同一时间内的不同元动作组合及在不同时间段内的各组动作组合排列形成了星球车的不同运动模式。
39.1.1具有主动与被动悬架的星球车运动模式动作规则库分析
40.(1)运动模式动作规则库(矩阵)的构造
41.如表1所示，其中表头1-18的数字分别代表星球车移动系统中的所有关节(即电机)，其中1—6分别代表6个车轮转动关节，7—12分别代表6个车轮转向关节，13、14分别代表2个主摇臂与副摇臂铰接关节(左，右)，15—18分别代表2个主摇臂各自前段与后段的铰接关节(左前、右前、左后、右后)。
42.主摇臂转动关节运动为夹角减小方向数值为[-1]，夹角增大方向数值为[1]，夹角静止为[0]。对于主摇臂与副摇臂铰接关节，离合器闭合时，该关节的数值为[1]，断开时数值为[0]，此外，其它任一关节处于运动状态，则该关节数值为[1]，若处于静止状态，数值为[0]。
[0043]
表1具有主动与被动悬架的星球车移动系统运动模式矩阵构建表
[0044][0045][0046]
(2)运动模式动作矩阵的表示方法
[0047]
类：同一种形式的关节归为一类，如6个车轮转动关节等。如表1中，关节1-6为车轮转动类(六个车轮驱动电机)，7-12为转向类(六个车轮的转向电机)，13、14为被动关节类(两个被动悬架的离合器，13为左副摇臂，14为右副摇臂)，15-18为主摇臂铰接类(两个主摇臂的转动电机，单个主摇臂非一体化关节，其分成前段和后段，后段运动速度为前段的a倍(a取决于减速比取值，可由设定为2.2)，15为左前段、16为右前段、17为左后段、18为右后段)。
[0048]
相：在某时间段内，整个机构中某些关节始终保持着运动，且运动方向不发生变化，将这一时间段内参与运动的关节数目称作相。例如对于轮式模式来说同时刻参与运动的关节包括6个车轮转动关节和2个主副摇臂铰接关节(被动关节)，则轮式模式被称为8相运动模式。相数统计的是：同一级内，关节非零状态的个数。
[0049]
级：在移动系统运动的某一级内，参与运动的关节种类、数目、方向不发生变化。若在某一时刻中，上述要素发生了变化，则运动模式的级数便增加一级，直到恢复初始状态。例如蠕动模式，车体上升为一级，车体下降为一级，下降后恢复为初始状态，则该运动模式为ⅱ级运动模式。级别越高，代表运动模式就越复杂，实现起来难度就越大。
[0050]
(3)具有主动与被动悬架的星球车运动模式的表示方式
[0051]
运动模式的名称表示：若一个运动模式是由ⅱ级动作组合(即需要先执行i级的动作后，再执行第ii级)而成，且ⅱ级动作中参与的最多数目为8(对于轮式模式的最多数目为8，其它模式不仅为8)，则称此运动模式为ⅱ级8相运动模式。
[0052]
运动模式的矩阵表示：将表1中的元动作位符[0]、[1]、[-1]按相应位置以矩阵形式表达出来即可，如轮式模式为：
[0053]
[1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0]。
[0054]
由以上的运动模式矩阵可知，在ⅰ级层次的动作组合范围内所有的动作组合数为：
[0055]asum
＝26×26
×22
×34
ꢀꢀ
(2-1)
[0056]
上述结果数量过于庞大，显然无法直接通过对运动模式动作矩阵的所有元动作进行遍历组合来进行，需要对上述矩阵按照一定的原则进行简化处理。
[0057]
1.2具有主动与被动悬架的星球车运动模式动作矩阵简化分析
[0058]
注意：每个车轮安装有两个电机，一个负责驱动，另一个负责转向。
[0059]
(1)对车轮转动关节(纵向滚动)的动作组合的简化
[0060]
对于六个车轮转动关节，其运动功能抽象起来只有两种：第一是主动驱动运动(根据轮速指令)，第二是被动驱动(协调)运动。被动驱动具体为：当悬架运动时，则六个车轮就需按照一定的速度协调关系配合悬架运动并提供前进牵引力。(当规定了其它类关节的运动形式时，改变六个车轮的运动参数无法增加星球车的运动模式种类)。所以，本部分对六个车轮运动关节的运动整体抽象为“驱动”与“静止”这两种形式，在运动模式矩阵中用数字1来表示“驱动”。在运动模式矩阵中用数字0来表示“静止”。
[0061]
(2)对车轮转向关节(横向旋转)动作组合的简化
[0062]
结合图2和图3所示，对于六个车轮转向关节，其提供的主要功能为改变车体的运动方向。六个自由度的转向关节之间相互配合，可以产生两种转向方式，瞬心转向和非瞬心转向。
[0063]
对于瞬心转向方式来说，必须时刻保持所有车轮的转向角垂线汇聚为一个瞬心点。而非瞬心转向则要求其单轮转向方向时刻保持平行。所以便可以将六个转向关节的动作组合归类为三种形式：静止，矩阵数值用0表示；瞬心转向，矩阵数值用1表示；非瞬心转向，矩阵数值用数字2表示。
[0064]
(3)关节间约束关系分析简化
[0065]
1)主摇臂铰接类与车轮转动类的运动约束关系：车轮由于需要配合摇杆的运动，车轮必须运动(车轮与悬架的协调运动，是本约束建立的前提)。只有当主摇臂铰接类均为0时，车轮转动类方可取0和1，否则只能取1。
[0066]
2)主摇臂铰接类与车轮转向类的运动约束关系：悬架转动不会与车轮转向关节的非瞬心转向和瞬心转向产生矛盾。无论悬架运动与否，六个车轮转向关节均可由静止0、瞬心转向1、非瞬心转向2(此转向方式主要用于蟹行运动模式)代表，结合图4所示，证明过程如下：
[0067]
考虑各轮与车体转速与瞬心速度协调，有如下运动学关系：
[0068][0069]
式中ω
w1
、ω
w2
、ω
w3
——车轮w1、w2、w3的滚动转速(rad/s)；
[0070]
考虑悬架折展速度与车轮纵向相对移动速度协调，有如下运动学关系：
[0071][0072][0073]
[0074]
ω3＝ω2；
[0075]
式中j
w1
、j
w2
、j
w3
——车轮w1、w2、w3与悬架的速度雅克比矩阵；
[0076]
各轮转向关节角速度的运动配合关系为：
[0077][0078]
式中——车轮w1转向关节的转向角速度(rad/s)；
[0079]
采用此种方式转向，会使车体产生横向移动的速度v
bx
为：
[0080][0081]
若要获得悬架转动杆时的蟹行转向关系也可按如上分析，综上证明了悬架折展运动并不会与车轮的两种转向运动产生矛盾。
[0082]
3)主摇臂铰接类内部的运动约束关系：关节[15]与关节[17]由摇臂长度规定了其比例运动关系，其运动方向相反且角速度比为-2.2。故此可将[15][17]的运动合并简化为一个关节运动，规定[15][17]张角增大为1，张角减小为-1，静止为0。[16][18]同理如此。
[0083]
(4)相邻级之间的运动关系
[0084]
1)拆分关系：一级内可存在多个类同时运动，则可以将这种单级多类运动中的多个运动类拆开分布在多级运动(被动关节类除外)，不会影响车体在动作结束后的状态。例如：星球车一边行驶一边非瞬心转弯，此运动组合包括了车轮转动类和车轮转向类，便可以将这两类拆分为ⅱ级运动，首先令转向关节运动，车轮转动关节静止，后让转向关节静止，车轮转动关节运动。
[0085]
2)合并关系：多级的不同类运动，可以合并为单级的有序多类运动(被动关节类除外)，不影响车体在动作结束后的状态。此约束为上述拆分约束的反过程。
[0086]
上述完整地给出了具有主动与被动悬架的星球车可实现的所有动作，但为构建星球车的基本运动模式，要在上文对星球车移动系统结构及动作分析的基础上，结合实际环境工况、移动要求、功能要求，将不符合实际行驶要求的星球车动作组合排除，将剩下满足要求的动作组合与实际火星地面的行驶工况进行匹配。
[0087]
2.1基于运动模式矩阵的具有主动与被动悬架的星球车基本动作分析
[0088]
由上述1.2简化过程及约束关系，具有主动与被动悬架的星球车运动模式矩阵可变为如下形式：
[0089]
表2具有主动与被动悬架的星球车移动系统运动模式矩阵构建简化表
[0090][0091]
对于在ⅰ级动作组合范围内其所有能构成的组合方式有120种：
[0092][0093]
首先从单相运动模式开始分析，将上述120种动作组合列表(减去的项为“关节间约束关系分析简化”指出的运动模式组合)。为简化描述过程，表中省略对称动作，例如动作组合一“左侧抬轮同时右侧抬起”，动作组合二“右侧抬轮同时左侧抬起”，此种情况下只写成一种动作组合：一侧抬轮同时一侧抬起。并且暂不描述转向类，因为转向类与悬架类之间运动无矛盾，所以下表中得到的每一个动作组合均可以加上[0]不转向、[1]瞬心转向、[2]非瞬心转向(蟹行)，即表格的大小乘3。得到的第ⅰ级动作矩阵遍历表如下：
[0094]
表3具有主动与被动悬架的星球车单级运动模式表
[0095][0096]
注释：“抱死”指离合器闭合，“自由”指离合器松开。
[0097]
表3中省略了“对称动作”和“转向动作”后共有24种动作组合。若算上此两种动作，则共有公式2-1中的120种动作组合。
[0098]
利用运动模式矩阵动作分析的方法，仅仅能将各种现实的动作组合排列出来。而每一种组合究竟是否存在现实意义，还需要人去判断和解释。例如“抬轮”既可以用来越障也可以用来脱陷。无法单纯通过运动模式动作矩阵直接得到动作组合的现实意义。
[0099]
由上述表格可以明显看出，星球车的所有动作可以总结为特定的几类(不考虑转向)，分别是：抬轮(前轮、中轮)、静止、车体抬升、车体下落、自由状态。其中抬轮若考虑重心分布位置等因素，抬前轮可变为抬后轮。这些基本动作在车体左右两侧的不同分布和不同组合，以及在各个车轮间的不同分布组合，组成了上述表格中的所有动作。而多级运动模式的构成，就是由这些基本动作在时间上按照特定的先后顺序排列而形成的，因为上述动作已经排除了所有运动约束关系，所以多级运动模式可由上表中的单级运动模式自由组合而成。理论上n级所能产生的所有动作组合数量为：
nasum
＝120
×
119
n-1
。
[0100]
2.2星球车常规运动模式分析及确定
[0101]
(1)悬架对称基本动作分析
[0102]
由上小节分析可知，若单纯遍历所有动作组合，从中挑选有意义的运动模式是不现实的。本小节在此基于上文中得到的几种基本动作组合来确定常规运动模式。
[0103]
本文并不研究车体双侧基本动作不一致的情况，例如上表中的第8行：“左侧抬中轮同时右侧抬前轮”，虽然此动作可以用于“左侧中轮与右侧前轮同时越过岩石”这一工况。
[0104]
为了抓住星球车运动的主要矛盾，本文仅研究车体两侧悬架运动对称的运动模式，分析其是否可以完好地应对火星表面复杂地况下对星球车移动功能的一般要求。由上节关于单级运动模式矩阵的遍历可知，星球车悬架对称运动共见下表：
[0105]
表4星球车悬架对称动作运动模式表
[0106]
[0107][0108]
对于上述18种星球车悬架对称基础动作来说，每一个基础动作都是一级运动模式。要形成二级运动模式，需要将这18种动作进行两两排列组合，这些基础运动模式在时间轴上并无运动约束关系，可以进行任意排列组合。抛出自身组合自身的情况，悬架对称运动二级动作的所有组合数量为：种。
[0109]
(2)基于火星基本行驶功能的悬架对称动作运动模式的构成分析
[0110]
对于火星探测任务来说，需要星球车能够克服火星表面的所有地形工况。以此为目的，需要星球车具备多种针对性的行驶运动模式，火星表面行驶工况如下：(a)平坦沙地、(b)斜坡地形、(c)碎石地形、(d)页岩、(e)大块岩石以及(f)凹坑。
[0111]
对于火星常规地面环境，星球车面临两类行驶功能要求和三类行驶轨迹要求如下：
[0112]
1)牵引力要求对于平坦沙地和斜坡地形以及碎石地形，需要星球车具备很好的牵引性能，需要车轮具备很大的牵引力来克服斜坡以及松软沙土带来的沉陷。
[0113]
2)克服障碍要求对于页岩、大块岩石和凹坑，都可以当做星球车遇到的障碍。需要
星球车具备跨越障碍、翻越障碍和躲避障碍的行驶要求。跨越障碍就是利用星球车的悬架机构的运动，在不抬升车轮及不改变行驶轨迹的前提下，令障碍物从星球车体下部空间安全经过。翻越障碍就是利用星球车悬架运动依次抬升车轮，使星球车从岩石上(爬)越过去，此种方式主要针对页岩这种岩石上表面较为平整且面积较大的障碍物。躲避障碍就是在星球车前进过程中，遇到了自身能力无法克服的障碍，需要进行临时躲避。
[0114]
3)行驶轨迹要求对于车辆行驶轨迹要求，一般车辆应具备直线行驶和曲线行驶两种形式。由于星球车转向系统具备6个自由度，且有躲避障碍的需要，故星球车应同时具备斜线轨迹(蟹行轨迹)的能力。
[0115]
下面从功能要求和轨迹要求两个维度，基于表4的单级基础动作组合，构建星球车常规运动模式，如下表所示：
[0116]
表5基于功能要求的悬架对称动作运动模式表
[0117][0118]
由表5可知，通过对运动模式基本功能需求的遍历，得知星球车应具备以上14种对称动作运动模式，且这14种运动模式，可完全覆盖星球车行驶的所有需求。上面这14种运动模式完全是由表4的星球车悬架对称基础动作所构成的。
[0119]
(a)轮式模式：正常轮式行走，即表4中的“自由前行无转向”。
[0120]
(b)蠕动模式：车体抬升后车体下落，配合车轮前行。
[0121]
(c)升降运动模式：车体抬升后行走后下落。
[0122]
(d)双抬轮越障运动模式：即先抬双侧前轮，后抬双侧中轮，后视情况选择抬双侧后轮或直接滚动进行越障。
[0123]
(e)蟹行模式：即表4中“自由状态同时蟹行转向”动作，为简化运动模式研究复杂度，按照级间的拆分关系，将该模式拆分为先蟹行转向后轮式行进。
[0124]
(f)瞬心转弯运动模式：即表4中“自由状态同时瞬心转向”这一动作组合。
[0125]
(3)星球车常规运动模式确定
[0126]
表5中其余运动模式均是在上述6种基本运动模式的基础上添加了两种转向功能，可以使星球车在执行上述运动模式时，在悬架运动的同时调整车体的姿态和方向。例如表5中的“蠕动瞬心转向运动模式”就可以实现一边蠕动爬坡，一边轨迹跟踪。
[0127]
经分析，所有的“悬架运动同时转向”的运动模式都可以由表6所描述的7个运动模式所代替执行，会取得同样的运动效果。例如蠕动瞬心转向运动模式，可以先蠕动直行，蠕动周期结束后原地进行瞬心转弯运动模式调整车体方向后继续蠕动直行。所以这7种运动模式也是最为常用的运动模式，故在这里将这7种运动模式称之为常规运动模式。
[0128]
综合考虑现实因素，基于7种常规运动模式，本文主要研究如下：
[0129]
表6星球车主要运动模式表
[0130][0131][0132]
在本实施例中，通过将规则库以数字矩阵的形式呈现，可以显式地表达出星球车移动系统的动作形式和动作组合，实现了移动系统动作的量化表示，能够充分挖掘星球探测车移动系统所有的动作组合，进而实现星球探测车运动模式的切换。
[0133]
可选地，所述构建运动模式动作矩阵包括：分别确定车轮转动关节、车轮转向关节、主摇臂铰接关节和副摇臂被动关节对应的元动作位符，将所述元动作位符依次按照矩阵形式排列以构建不同运动模式的动作矩阵。
[0134]
具体地，在本实施例中，构建运动模式动作矩阵包括：分别确定车轮转动关节、车轮转向关节、主摇臂铰接关节和副摇臂被动关节对应的元动作位符，将元动作位符依次按照矩阵形式排列以构建不同运动模式的动作矩阵，例如轮式模式为：[111111000000110000]。
[0135]
其中，悬架包括主动悬架、被动悬架，摇臂包括主摇臂、副摇臂。
[0136]
在本实施例中，通过将元动作位符依次按照矩阵形式排列以构建不同运动模式的动作矩阵，可以显式地表达出星球车移动系统的动作形式和动作组合，实现了移动系统动作的量化表示，能够充分挖掘星球探测车移动系统所有的动作组合。
[0137]
可选地，所述简化所述运动模式动作矩阵包括：分别对所述车轮转动关节的动作组合简化、对所述车轮转向关节的动作组合简化、对关节间约束关系分析简化以及对相邻级之间的运动关系简化。
[0138]
具体地，在本实施例中，简化运动模式动作矩阵包括：分别对车轮转动关节的动作组合简化、对车轮转向关节的动作组合简化、对关节间约束关系分析简化以及对相邻级之间的运动关系简化。由于ⅰ级层次的动作组合范围内所有的动作组合数量过于庞大，显然无法直接通过对运动模式动作矩阵的所有元动作进行遍历组合来进行，需要对上述矩阵按照一定的原则进行简化处理。
[0139]
在本实施例中，通过对运动模式动作矩阵进行简化处理，完整地给出了具有主动
与被动悬架的星球车可实现的所有动作，进而能够建立星球探测车运动模式数据库。
[0140]
可选地，所述对所述车轮转动关节的动作组合简化包括：在所述运动模式动作矩阵中使用1表示驱动以及使用0表示静止；所述对所述车轮转向关节的动作组合简化包括：在所述运动模式动作矩阵中使用0表示静止、使用1表示瞬心转向以及使用2表示非瞬心转向；所述对关节间约束关系分析简化包括：分别基于所述主摇臂铰接关节与所述车轮转动关节的运动约束关系、所述主摇臂铰接关节内部的运动约束关系以及所述主摇臂铰接关节与所述车轮转向关节的运动约束关系对所述运动模式动作矩阵进行简化；所述对相邻级之间的运动关系简化包括：分别基于拆分关系和合并关系对所述运动模式动作矩阵进行简化。
[0141]
具体地，在本实施例中，对六个车轮转动关节的运动整体抽象为“驱动”与“静止”这两种形式，在运动模式矩阵中用数字1来表示“驱动”。在运动模式矩阵中用数字0来表示“静止”。
[0142]
将六个转向关节的动作组合归类为三种形式：静止，矩阵数值用0表示；瞬心转向，矩阵数值用1表示；非瞬心转向，矩阵数值用数字2表示。
[0143]
对关节间约束关系分析简化和对相邻级之间的运动关系简化见前文和后文描述，不再赘述。
[0144]
在本实施例中，通过对运动模式动作矩阵进行简化处理，完整地给出了具有主动与被动悬架的星球车可实现的所有动作，进而能够建立星球探测车运动模式数据库。
[0145]
可选地，基于所述主摇臂铰接关节与所述车轮转动关节的运动约束关系对所述运动模式动作矩阵进行简化包括：若所述主摇臂铰接关节对应的元动作位符均为0，所述车轮转动关节对应的元动作位符可取0和1，否则所述车轮转动关节对应的元动作位符只能取1；基于所述主摇臂铰接关节内部的运动约束关系对所述运动模式动作矩阵进行简化包括：在所述运动模式动作矩阵中使用1表示所述主摇臂铰接关节之间张角增大、使用-1表示所述主摇臂铰接关节之间张角减小，以及使用0表示静止；基于所述主摇臂铰接关节与所述车轮转向关节的运动约束关系对所述运动模式动作矩阵进行简化包括：在所述运动模式动作矩阵中使用0表示静止、使用1表示瞬心转向以及使用2表示非瞬心转向。
[0146]
具体地，在本实施例中，1)主摇臂铰接类与车轮转动类的运动约束关系：车轮由于需要配合摇臂的运动，车轮必须运动(车轮与悬架的协调运动，是本约束建立的前提)。只有当主摇臂铰接类均为0时，车轮转动类方可取0和1，否则只能取1。
[0147]
2)主摇臂铰接类内部的运动约束关系：关节[15]与关节[17]由摇臂长度规定了其比例运动关系，其运动方向相反且角速度比为-2.2。故此可将[15][17]的运动合并简化为一个关节运动，规定[15][17]张角增大为1，张角减小为-1，静止为0。[16][18]同理如此。
[0148]
3)主摇臂铰接类与车轮转向类的运动约束关系：悬架转动不会与车轮转向关节的非瞬心转向和瞬心转向产生矛盾。无论悬架运动与否，六个车轮转向关节均可由静止0、瞬心转向1、非瞬心转向2(此转向方式主要用于蟹行运动模式)代表。
[0149]
在本实施例中，通过分别基于所述主摇臂铰接关节与所述车轮转动关节的运动约束关系、所述主摇臂铰接关节内部的运动约束关系以及所述主摇臂铰接关节与所述车轮转向关节的运动约束关系对所述运动模式动作矩阵进行简化，完整地给出了具有主动与被动悬架的星球车可实现的所有动作，进而能够建立星球探测车运动模式数据库。
[0150]
可选地，所述拆分关系包括：若一级内存在多个类同时运动，则可将多个运动类拆开分布在多级运动；所述合并关系包括：可将多级的不同类运动合并为单级的有序多类运动。
[0151]
具体地，在本实施例中，1)拆分关系：一级内可如果存在多个类同时运动，则可以将这种单级多类运动中的多个运动类拆开分布在多级运动(被动关节类除外)，不会影响车体在动作结束后的状态。例如：星球车一边行驶一边非瞬心转弯，此运动组合种车轮转动类和车轮转向类参与了运动，便可以将这两类拆分为ⅱ级运动，首先令转向关节转动车轮滚动关节静止，后让转向关节静止车轮转动前进。
[0152]
2)合并关系：多级的不同类运动，可以合并为单级的有序多类运动(被动关节类除外)，不影响车体在动作结束后的状态。此约束为上述拆分约束的反过程。
[0153]
在本实施例中，基于拆分关系和合并关系对运动模式动作矩阵进行简化，完整地给出了具有主动与被动悬架的星球车可实现的所有动作，进而能够建立星球探测车运动模式数据库。
[0154]
可选地，所述基于行驶工况和所述单级基础动作组合生成常规运动模式以建立星球探测车运动模式数据库包括：基于所述行驶工况确定所述星球探测车的牵引力要求、克服障碍要求和行驶轨迹要求，根据所述牵引力要求、所述克服障碍要求和所述行驶轨迹要求确定对称动作运动模式，根据所述对称动作运动模式构建常规运动模式以建立所述星球探测车运动模式数据库。
[0155]
具体地，在本实施例中，基于行驶工况和单级基础动作组合生成常规运动模式以建立星球探测车运动模式数据库包括：基于行驶工况确定星球探测车的牵引力要求、克服障碍要求和行驶轨迹要求，根据牵引力要求、克服障碍要求和行驶轨迹要求确定对称动作运动模式，根据对称动作运动模式构建常规运动模式以建立星球探测车运动模式数据库。
[0156]
结合图5所示，在获得编码器数值后，需要根据传感器数据的组合判断出，此时星球车的运动状态，然后到运动模式专家经验库(星球探测车运动模式数据库)中搜索匹配，通过不同传感器得到，不同位置对应的车体运动状态(使用对应专家库的数字组合表示)，然后将运动状态的组合(数组)在专家经验库中搜索即可。在算法应用中，数据库为矩阵形式，运动状态对应矩阵中的一行，因此将某一运动状态组合在矩阵中按行向量搜索即可。
[0157]
在本实施例中，基于行驶工况和单级基础动作组合生成常规运动模式以建立星球探测车运动模式数据库，提高了运动模式分类的全面性，进而能够实现自适应控制过程中星球探测车运动状态的监测。
[0158]
本发明另一实施例提供一种星球探测车运动模式智能切换方法，用于实现上述星球探测车运动模式生成方法所生成的常规运动模式中轮式模式和蠕动模式的切换，包括：基于模糊控制原理实现所述轮式模式和所述蠕动模式的相互切换。
[0159]
具体地，在本实施例中，星球探测车运动模式智能切换方法包括：基于模糊控制原理实现轮式模式和蠕动模式的相互切换。结合图6所示，模糊控制是一种能够解决复杂非线性系统、难以建立数学模型系统以及不确定内部干扰的多输入输出系统。火星地表崎岖复杂，星壤力学参数多变不均，星球车行驶过程中的运动参数时刻发生着非线性变化。所以借用模糊控制的基本原理，来解决轮式模式行驶过程中向蠕动模式自主切换的问题，以及星球车蠕动模式在不同驱动滑转率之间自主切换和自主切换为轮式模式的切换策略。
[0160]
在本实施例中，基于模糊控制原理实现轮式模式和蠕动模式的相互切换，有利于实现星球探测车运动模式的智能切换。
[0161]
可选地，所述轮式模式切换为所述蠕动模式的具体过程包括：实时采样所述轮式模式的滑转率和滑转率变化率；对所述滑转率和所述滑转率变化率模糊处理得到模糊控制器的输出量；当所述输出量在第一范围内时，保持所述轮式模式不变，当所述输出量在第二范围内时，将所述轮式模式切换为所述蠕动模式。
[0162]
具体地，在本实施例中，轮式模式切换为蠕动模式的具体过程包括：实时采样轮式模式的滑转率和滑转率变化率；对滑转率和滑转率变化率模糊处理得到模糊控制器的输出量；当输出量在第一范围([0,5])内时，保持轮式模式不变，当输出量在第二范围([5,10])内时，将轮式模式切换为蠕动模式。
[0163]
由轮式模式切换为蠕动模式模糊控制逻辑实现过程包括：实时采样-在线滤波-模糊化-模糊规则-反模糊化-步态切换。具体如下。
[0164]
(1)语言变量及论域确定
[0165]
滑转率s的基础论域为[0，1]，制定滑转率s的模糊论域为[0，10]。则s的量化因子取10。星球车处于“前进沉陷”、“滑转率稳定前进”、“律动前进”三种运动状态时，滑转率变化率sc变化范围依次为[0，0.2]，[0，0.13]，[-0.3，0.3]。制定滑转率变化率sc的模糊论域为[-6，6]，则sc的量化因子为20。
[0166]
模糊控制器的输出量u为“牵引力需求量”。该值表征的现实意义为：星球车维持前进行走所需要的额外牵引力。例如对于即将发生沉陷或即将发生滑退的星球车，此时需要更多的牵引力从而保持继续前进行走，此时u值为教大的值。对于正常行走没有失去牵引能力风险的星球车，此时不需要提供额外的牵引力来维持其继续正常行走，则此时u值为较小的值。u值只为正，不为负。所以规定u值的模糊论域取[0,10]，u值经过反模糊化后得到的是蠕动模式驱动滑转率的值。
[0167]
(2)语言变量语言值及隶属度函数确定
[0168]
将模糊论域上的具体语言变量划归为某一档位的模糊值，是对输入输出量完成数据模糊化的核心步骤。按实际情况，将滑转率s的语言值定为s＝{zo、ps、pm、pb、ph}，分别代表{极小、小、中等、高、极高}；sc＝{nb、ns、zo、ps、pb}，分别代表{负大、负小、零、正小、正大}；输出量u的语言值设定为u＝{zo、ps、pm、pb、ph}，分别代表{极小、小、中等、高、极高}；三角形的隶属度函数控制简便，可靠性强，使用广泛，故隶属度函数均采用三角函数。
[0169]
(3)模糊控制规则设定与编辑
[0170]
数据库中存放所有变量模糊子集的隶属度函数，不断将加权计算后的模糊变量值输入模糊推理机。通过星球车轮式模式正常的行走过程及上一节中对星球车运动状态发生变化时对滑转率及滑转率变化率规律的分析，制定模糊规则如下表7-轮式模式切换蠕动模式模糊控制规则表所示：
[0171]
表7
[0172][0173]
当输出量u在[0,5]范围之内时，保持轮式模式不变，当输出量u在[5,10]范围之内时切换为蠕动模式，其驱动滑转率在[0.5,0.8]范围之内变化。蠕动模式驱动滑转率sr为：
[0174]
sr＝(w
·
r-lr/t)/(w
·
r)
[0175]
式中lr——蠕动模式一个运动模式周期星球车沿前进方向理论前进距离(m)；
[0176]
t——蠕动模式一个上升节拍或一个下降节拍所需时间(s)；
[0177]
w——车轮转速(rad/s)；
[0178]
驱动滑转率与模糊逻辑输出值u之间的关系为：
[0179]
sr＝[(u-5)/10]
×
(s
max-s
min
)+s
min
[0180]
根据实验室对具有主动与被动悬架的星球车蠕动模式的研究成果，蠕动模式的驱动滑转率规定在[0.5,0.8]范围内时，星球车会有很好的脱陷及爬坡效果。其中随着滑转率的增大，其车轮给予悬架的驱动力就越大，其脱陷和爬坡能力就越强。
[0181]
在本实施例中，基于模糊控制原理实现轮式模式切换为蠕动模式，有利于实现星球探测车运动模式的智能切换。
[0182]
可选地，所述蠕动模式切换为所述轮式模式的具体过程包括：当前进指数在第三范围内时，执行模糊控制，具体包括：当所述蠕动模式一个运动模式周期内的能效指数处于冗余区时，降低驱动滑转率，若所述驱动滑转率降低至小于预设值时，所述能效指数仍处于所述冗余区，则将所述蠕动模式切换为所述轮式模式。
[0183]
具体地，在本实施例中，结合图7所示，安全区：能效指数范围为7至10.5，意味着在此范围内行驶的星球车既能保证在当时驱动滑转率下行驶安全不会发生滑退，又保证了在当时地形下没有选择过高的驱动滑转率，节约了能量。冗余区：能效指数低于7，意味着在当时的环境下选择了较大的驱动滑转率，造成能量浪费，处于冗余区时，应该降低驱动滑转率。危险区：能效指数范围为10.5至11.5，此区域范围内，星球车已经发生了一定程度的回退，极容易发生大距离回退造成行驶失效，此时应该提高驱动滑转率。失效区：能效指数高于11.5，星球车已经发生了大距离回退，此时应大幅提高驱动滑转率，使星球车进入安全区或冗余区。
[0184]
其中，前进指数λr为：
[0185]
λr＝ls/lr[0186]
式中ls——蠕动模式一个运动模式周期星球车沿前进方向实际前进距离(m)；lr——蠕动模式一个运动模式周期星球车沿前进方向理论前进距离(m)。
[0187]
其中，能效指数kr其表达式如下：
[0188][0189]
式中mr——蠕动模式一个运动模式周期内的平均力矩(n
·
m)；sr——蠕动模式的驱动滑转率。
[0190]
由此便将各个驱动滑转率下的临界状态全部表示为10附近的无量纲数字。能效指数表征了当前驱动滑转率sr下的蠕动模式接近“临界滑退”的程度。
[0191]
星球车蠕动模式内自主切换驱动滑转率及蠕动模式切换为轮式模式的控制策略规则可按如下控制逻辑进行：
[0192]
在前进指数λr范围为[0.85，1]内执行模糊控制逻辑，其逻辑内容为：当蠕动模式一个运动模式周期内的能效指数低于7时，降低驱动滑转率。越接近7，其降低的幅度越小，直到星球车的能效指数位于安全区，驱动滑转率固定不变。若直到降到0.4以下，能效指数若还在冗余区，便切换为轮式模式。当能效指数大于10.5时，星球车处于危险区或失效区时，直接将驱动滑转率sr切换为最高档位sr＝0.8。
[0193]
当前进指数λr小于0.85时，直接将驱动滑转率sr切换为最高档位sr＝0.8，执行上述模糊控制逻辑。
[0194]
(1)语言变量及论域确定
[0195]
依据上述切换逻辑，制定增量模糊输出控制模型。模糊控制的输入量为一个蠕动模式周期刚刚结束时，这个周期的驱动滑转率sr及这个周期的能效指数kr，输出量为下一个运动模式周期驱动滑转率的增量δsr。
[0196]
蠕动模式驱动滑转率在0.4以上时能保证才能前进效果。所以输入量驱动滑转率sr的基础论域为[0.4，0.8]，语言变量模糊集论域定为[4，8]，所以sr的量化因子为10。能效指数kr基本论域为[0，7]，其语言变量模糊集论域取为[0，7]，所以kr的量化因子为10。模糊逻辑的输出量为驱动滑转率的周期切换增量δsr，δsr基本论域为[-0.4，0]，语言变量模糊集论域取为[0，4]，所以δsr的比例因子为-0.1。
[0197]
(2)语言变量语言值及隶属度函数确定
[0198]
将驱动滑转率的语言值定为sr＝{zo，ps，pm，pb，ph}，分别代表{极小、小、中等、高、极高}；kr＝{zo，ps，pm，pb，ph}，分别代表{极小、小、中等、高、极高}；输出量δsr的语言值设定为δsr＝{zo，ps，pm，pb，ph}，分别代表{极小、小、中等、高、极高}；
[0199]
各个语言值的隶属度函数有多重选择类型，其中三角形函数控制简便，可靠性强，使用广泛，故隶属度函数均采用三角函数。
[0200]
(3)模糊规则表建立
[0201]
数据库中存放所有变量模糊子集的隶属度函数，运动过程中实时收集力矩、前进指数等信息。在一个运动模式周期结束后进行模糊策略解算，决定下一个运动模式周期的驱动滑转率输出值。此模糊规则只在星球车处于冗余区时工作，负责降低驱动滑转率将星球车行驶状态赶入安全区。控制过程所制定模糊控制规则表如下表8-蠕动模式调节sr及切换轮式模式模糊控制规则表所示：
[0202]
表8
[0203][0204]
在本实施例中，基于模糊控制原理实现蠕动模式切换为轮式模式，有利于实现星球探测车运动模式的智能切换。
[0205]
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。