搖臂轉向架式星球車地形估計方法

李楠++高海波++丁亮++郭軍龍++王文濤++鄧宗全

摘要：針對搖臂轉向架式星球車，提出一種基于搖臂轉向架式星球車懸架運動學信息的星球車通過區(qū)域地形估計方法.通過分析星球車懸架正逆運動學模型，提出星球車通過區(qū)域地形估計模型.本地形估計模型將車體姿態(tài)和搖臂轉角信息作為狀態(tài)輸入變量，可獲得星球車車輪與車體相對位置，從而估計出車輪下方地形.相對于用雙目相機和激光雷達地形感知方法，本方法通過車體懸架運動學信息估計地形，具有能耗低，消耗計算資源少等優(yōu)點，并搭建了星球車運動學Matlab仿真平臺，在多種典型工況下，驗證了該方法的有效性，

關鍵詞：星球探測平；星球探測車；地形估計；運動學

DOI： 10.15938/j.jhust.2015.03.005

中圖分類號：TP242.3

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683 （2015）03-0024-05

0 引 言

在星球表面探測中，星球車用來完成對星球表面地形地貌的實地勘察、環(huán)境觀測以及攜帶相應的科學實驗儀器執(zhí)行其它的探測任務.但是星球車在星球地面執(zhí)行探測任務過程中，需要實時感知地形信息，以便對星球車進行運動控制和運動規(guī)劃.地形感知信息是否準確，將關系到星球車運行的速度和安全，對車體控制的實時性、魯棒性具有決定性作用.

目前，星球車對地形進行探測主要通過雙目立體視覺建立數字高程圖.該方法通過圖像處理算法對兩幅圖像中相同的點進行匹配，獲得地形上點相對于車體的空間坐標來估計地形.該方法可以獲得較大范圍的地形圖像和高程信息，但該方受光照影響較大.并且需要通過復雜的圖像處理算法對地形進行重構，處理數據時間較長，會消耗大量車載計算機的資源.

通過激光雷達對地面進行掃描也可以獲得三維地形信息.該方法使用激光雷達和云臺，通過激光測距原理測量地面與車體的相對位置.由于該方法使用主動光（發(fā)出激光）進行探測，所以該方法受光照影響較小，但發(fā)射激光需要消耗較大能量，星球車需要太陽能電池板供電，功率有一定限制，所以該方法不適合星球車使用.

本文提出了一種在星球車運動過程中通過感知車體懸架姿態(tài)來估計星球車通過區(qū)域地形方法，相比于其他星球車地形感知方法，基于星球車搖臂姿態(tài)的地形估計方法能夠根據星球車車體姿態(tài)和搖臂轉角信息，估計出已通過區(qū)域地形狀況，車體姿態(tài)和搖臂轉角信息是星球車運動控制的必要反饋變量，可以通過陀螺儀和角度傳感器進行采集，所以本方法不需要額外增加專用設備就可以估計已通過區(qū)域地形信息，本方法具有能耗低，消耗計算資源少，可靠性高等優(yōu)點.

1 星球車的地形估計模型建立

1.1 坐標系的建立與定義

所研究的六輪探測機器人的移動機構即為搖臂一轉向架式的結構，搖臂一轉向架式移動機構最初是美國國家航空航天局NASA的噴氣動力試驗室JPL提出的，搖臂一轉向架式六輪探測機器人如圖l所示，主要由轉向輪、中輪、主搖臂、副搖臂、差速器和車本體組成.

整個移動系統通過設置在車體內的差速器連接車體兩側的搖臂一轉向架機構組成車體懸掛系統，差速器使車體的擺動幅度為左右兩側擺動角度之和的一半，如果左側搖臂上升，右側搖臂下降相同的角度，車體會保持不變.

建立如圖2所示的六輪探測機器人坐標系，坐標系0固連在差速器.∑1原點為主搖臂右端面軸心；∑2原點為右側副搖臂轉軸軸心；坐標系∑w1 ∑w2，∑w3，∑w4，∑w5，∑W6原點分別位于右前，右中，右后，左前，左中，左后輪驅動軸中心.∑F1、∑F2、∑F3、∑F4、∑F25、∑F6原點分別位于右前，右中，右后，左前，左中，左后輪驅動軸中心，x軸方向與各車輪線速度方向相同，車體俯仰角為0。，主搖臂與車體中心夾角為 ，副搖臂與主搖臂之間的夾角為02，主搖臂支架的架桿彎角為a，副搖臂支架的架桿彎角為角 指坐標系 繞逆時針旋轉至與坐標系重合所需要的最小角度，

1.2 星球車估計地形模型

由于星球車懸架是關于XI oYi平面對稱結構.為簡化問題，本文將在二維空間研究星球車懸架運動學問題.且星球車的主副搖臂均為剛體，可以得到車體中心坐標系到各個車輪坐標系∑wi的轉換矩陣，通過轉換矩陣可以得到個策論到車體中心坐標系的位置關系，從而估計出當前車輪所在區(qū)域地形信息.

坐標系y到y，的轉換矩陣為：與 有關，即當 確定時，車輪相對車體中心位置具有唯一解.而車輪與地面接觸，所以通過測量 估計星球車已通過區(qū)域地形信息.同理可求得另一側的4、5、6號車輪相對車體坐標，估計另一側已通過區(qū)域地形信息.

2 基于MATLAB的星球車運動仿真平臺的建立

為驗證基于懸架運動學的地形估計方法的可行性，搭建了星球車運動仿真平臺.

2.1 輪地相互作用仿真

1）輪一地相互作用迭代模型

由于車輪沉陷量相對于車輪直徑較小，車輪為剛性金屬輪，可以認為車輪與地面之間剛體接觸.無形變剛性輪在MATLAB中可以用圓表示，車輪與地面的位置關系有3種情況：相交、相切、和沒有交點，其中相切和沒有交點兩種情況又可以分為輪子在地面之上和輪子在地面之下兩種情況.車輪需要與地面接觸，如圖3所示，首先判斷輪子與地面之間的交點個數，若為2個交點，則車輪與地面相交，車輪陷于地面之下一部分，使輪子輪心向上移動一定值；若交點個數為1個，則輪子方程與地面方程相切，輪子正常行駛與路面之上，輪子輪心不向上或者向下移動；若交點個數為0個，則輪子方程與地面方程沒有交點，輪子離開了地面，使輪子坐標向下移動一定的值，迭代進入下一周期.建立的仿真框圖如圖3所示.

2.1 星球車懸架運動學仿真

星球車運動學仿真主要由地形模型和運動學迭代算法組成.結合輪一地作用模型和車輪懸架約束關系，可以得出星球車整車運動學迭代模型.其程序框圖如7所示.

圖8和圖9為整車運動通過典型地形時的仿真結果.

3 星球車地形估計模型仿真驗證

3.1斜坡地形下地形估計的仿真驗證

在斜坡地形上，星球車沿x軸正方向運動時，圖10為星球車已通過地形的估計結果.圖中黑色曲線為實際地形，紅色曲線為地形的估計結果.

從圖10可觀察到，平地和斜坡過度處，估計地形存在著一個圓角的轉角，這是由于地形函數在平地與斜坡相交處產生奇異，輪子無法接觸到平地與斜坡相交處的頂點，所以在交點處輪子軌跡線形成圓角.

由于斜坡路面屬于分段函數，所以在做估計地形與實際地形的線性相關度分析時，考慮將采樣后的數據分成兩部分，一部分為上坡前的平地部分，另外的一部分為上坡后的斜面部分.對兩部分分別在origin下進行線性擬合，得到了以下結果：

如表2、3所示，在平地和斜坡路面上，地形估計結果與實際地形的殘差平方較小，線性相關系數和擬合相似度較高.

3.2 對于凹凸路面的MATLAB地形估計

在正弦地形上，星球車沿x軸正方向運動時，圖11為星球車已通過地形的估計結果，

將上述數據導人到ongm中進行線性相關性分析，得到以下結果，如表4所示：

對于連續(xù)的sm路面下估計地形與實際地形擬合度較高，但是殘差平方和比較大，有一定的便宜現象.這是由于在仿真過程中沒有考慮輪地接觸角.輪地接觸角對于地面坡度變化較敏感.在崎嶇路面時，考慮輪地接觸角對于估計模型的影響，并對模型進行修正.

4 結 論

本文對基于星球車懸架姿態(tài)的地形感知方法進行研究，得到了如下結論：

1）對星球車運動學進行分析，建立了基于搖臂轉向架懸架的地形估計模型.

2）搭建了星球車運動學仿真平臺.

3）對地形估計模型進行了仿真驗證，證明了該方法的有效性，

本方法擴展了星球探測車地形探測的手段，為日后月球車、火星車等星球探測車提供了一種地形測量的新方法，經仿真驗證證明該方法有效.未來工作將對該方法作一步研究，探討輪地接觸角對于地形估計的影響，并給出修正后的估計地形估計模型，以星球探測任務為導向，將本方法發(fā)展為一種可以工程化應用的新方法.