阅读说明：本技术 多功能巡视器半物理仿真系统及方法 (Multifunctional patrol instrument semi-physical simulation system and method ) 是由 何俊 李�杰 高峰 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种多功能巡视器半物理仿真系统和方法,包括运动跟随装置、六维力传感器单元、模拟地外星表地形沙盘以及通讯接口单元；所述运动跟随装置对巡视器的运动进行跟随,并进行负载调节；所述六维力传感器单元连接在运动跟随装置的末端,进行反馈负载信息；所述模拟地外星表地形沙盘用于模拟目标星环境；通讯接口单元将移动跟随装置中的七个驱动自由度的控制对外开放,完成与地外星表巡视器样机的协调通讯。真实地再现巡视器在地外星表着陆以及在低重力环境中行进的情况,并且拥有系统刚度高,响应快,运动跟随和负载调节的精度好的优点,是可以完成包括巡视器着陆、低重力行进以及轮土力学模拟等的多功能半物理仿真系统。(The invention provides a semi-physical simulation system and a semi-physical simulation method for a multifunctional patroller, which comprise a motion following device, a six-dimensional force sensor unit, a sand table for simulating the terrain of an extraterrestrial star and a communication interface unit; the motion following device follows the motion of the patrol device and adjusts the load; the six-dimensional force sensor unit is connected to the tail end of the motion following device and feeds back load information; the simulated extraterrestrial star surface terrain sand table is used for simulating a target star environment; the communication interface unit opens the control of seven driving degrees of freedom in the mobile following device to the outside, and completes the coordination communication with the sample machine of the extra-terrestrial star watch patrol instrument. The multifunctional semi-physical simulation system truly reproduces the conditions of the rover landing on the extraterrestrial star surface and the rover traveling in the low-gravity environment, has the advantages of high system rigidity, quick response and good precision of motion following and load adjustment, and can complete the multifunctional semi-physical simulation system including the rover landing, the low-gravity traveling, the wheel soil mechanics simulation and the like.)

多功能巡视器半物理仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及半物理仿真技术领域，具体地，涉及一种多功能巡视器半物理仿真系统及方法。

背景技术

随着我国深空探测工程的逐步开展，地外星表巡视器的开发成为该领域工程中的最重要一环。巡视器自身是一个复杂的系统，同时其面对的环境为复杂而未知的环境，为了保证巡视器可以在目标星表面正常行驶，在发射前对其样机开展半物理仿真是极其重要的。同时，在地外星表探测领域，开发多种行进模式的大范围巡视器正成为一种新的趋势。这也对半物理仿真系统提出了要求，能够完成多种行进模式的仿真以及多种工况的仿真是十分重要的。

目前现有的针对巡视器的半物理仿真系统大多局限为单一功能的仿真系统，比如进行低重力行进仿真的系统或者验证轮土力学性能的系统等等。现有针对巡视器的低重力仿真系统主要采用悬吊的形式进行重力卸载，其设备往往庞大且能够仿真的工况集中在低重力行进的移动性能验证以及自主导航上。现有的验证轮土力学性能的系统主要形式为单轮行进的系统，同样也存在功能单一的特点。

未经检索到与本申请相似的现有技术，与本申请较接近的专利文献CN105252539B公开的基于加速度传感器抑制并联平台振动控制系统及方法，包括三个并联分支机构，每个并联分支机构包括三相交流伺服电机、减速器、主动杆、被动杆；三相交流伺服电机安装在固定平台上，呈等边三角形分布，三相交流伺服电机连接减速器，减速器通过转动轴连接主动杆，主动杆的另一端通过转动轴连接从动杆，从动杆的另一端通过转动轴连接动平台，动平台呈等边三角形；采用增量式编码器测试主动关节位置，采用加速度传感器检测并联平台动平台和主动杆的加速度，根据主动关节位置信息和加速度信息综合设计控制器，抑制并联平台在运动过程中的振动或点定位时的自激振动。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多功能巡视器半物理仿真系统和方法。

根据本发明提供的一种多功能巡视器半物理仿真系统，包括运动跟随装置、六维力传感器单元、模拟地外星表地形沙盘以及通讯接口单元；

所述运动跟随装置对巡视器的运动进行跟随，并进行负载调节；

所述六维力传感器单元连接在运动跟随装置的末端，进行反馈负载信息；

所述模拟地外星表地形沙盘用于模拟目标星环境；

通讯接口单元将移动跟随装置中的七个驱动自由度的控制对外开放，完成与地外星表巡视器样机的协调通讯。

优选地，所述运动跟随装置包括六自由度操作臂和伺服滑轨，六自由度操作臂的基座固连在伺服滑轨的基座上，形成整体上跟随控制伺服滑轨移动的移动平台运动。

优选地，所述六自由度操作臂采用串联机械臂形式，并且末端设置有与六位力传感器连接的第一机械接口。

优选地，所述伺服滑轨为单自由度滑动导轨，通过伺服电机驱动，能够实现精确位置控制，并且在移动平台上设置有用于固连六自由度操作臂的第二机械接口。

优选地，所述六维力传感器单元固连在运动跟随装置的六自由度操作臂的末端，可以实现三维力和三维力矩的测量。

优选地，所述六维力传感器单元设置有通用的用来连接地外星表巡视器样机的第三机械接口。

优选地，所述模拟地外星表地形沙盘为根据实验目标环境构建的长方形非构造地形沙盘，平行地布置在伺服滑轨的一侧。

根据本发明提供的一种多功能巡视器半物理仿真方法，包括巡视器着陆仿真实验步骤，所述巡视器着陆仿真实验步骤包括：

步骤一，首先将地外星表巡视器样机通过六位力传感器模块的机械机接口与多功能巡视器半物理仿真系统固连，通过通讯接口模块将多功能巡视器半物理仿真系统中的所有驱动自由度交由地外星表巡视器样机控制器协调控制；

步骤二，通过对仿真工况的分析，驱动运动跟随装置中的六自由度操作臂将地外星表巡视器样机调整到合适的高度并且保持悬空；

步骤三，通过对仿真工况的分析，驱动运动跟随装置中的伺服滑轨将地外星表巡视器样机调节到模拟地外星表地形沙盘中目标着陆区域的上方或者侧上方；

步骤四，通过控制运动跟随装置中的六自由度操作臂，驱动外星表巡视器按照着陆轨迹完成在模拟地外星表地形沙盘上的着陆模拟，并且在这一过程中根据需要对重力负载进行部分消除或者补偿；

步骤五，在着陆模拟过程中，对地外星表巡视器样机以及多功能巡视器半物理仿真系统中的各项传感器的数据进行采集并用于后期处理和分析；

步骤六，将地外星表巡视器样机重新放置在地面上以后，打开机械接口，并且使多功能巡视器半物理仿真系统整体调回初始状态，结束半物理仿真实验。

优选地，所述的多功能巡视器半物理仿真方法，还包括低重力行进仿真实验步骤，所述低重力行进仿真实验步骤包括：

步骤一，将地外星表巡视器样机通过六位力传感器模块的机械机接口与多功能巡视器半物理仿真系统固连，通过通讯接口模块将多功能巡视器半物理仿真系统中的所有驱动自由度交由地外星表巡视器样机控制器协调控制；

步骤二，驱动运动跟随装置中的六自由度操作臂将地外星表巡视器样机调整到合适的高度并且保持悬空；

步骤三，通过对仿真工况的分析，驱动运动跟随装置中的伺服滑轨将地外星表巡视器样机调节到模拟地外星表地形沙盘一段的上方，随后将该样机放置在模拟地外星表地形沙盘上，保证样机所有轮与沙盘的接触；

步骤四，通过对仿真工况的分析，驱动运动跟随装置中的六自由度机械臂对重力负载进行部分消除；

步骤五，保持重力负载部分消除的情况下，驱动地外星表巡视器样机沿着模拟地外星表地形沙盘地形前进，并且在这一过程中，驱动运动跟随装置跟随该样机的运动，在这一过程中，记录地外星表巡视器以及多功能巡视器半物理仿真系统中各项传感器的数据用于后续处理和分析；

步骤六，将地外星表巡视器样机重新放置在地面上以后，打开机械接口，并且使多功能巡视器半物理仿真系统整体调回初始状态，结束半物理仿真实验。

优选地，所述的多功能巡视器半物理仿真方法，还包括轮土接触仿真实验步骤，所述轮土接触仿真实验步骤包括：

步骤一，将地外星表巡视器的单轮实验单元样机通过六位力传感器模块的机械机接口与多功能巡视器半物理仿真系统固连，通过通讯接口模块将多功能巡视器半物理仿真系统中的所有驱动自由度交由地外星表巡视器的单轮实验单元样机控制器协调控制；

步骤二，驱动运动跟随装置将地外星表巡视器的单轮实验单元样机放置在模拟地外星表地形沙盘中平整区域上；

步骤三，通过对仿真工况的分析，驱动运动跟随装置中的六自由度机械臂对地外星表巡视器的单轮实验单元样机的压力负载进行调节；

步骤四，保持压力负载的情况下，驱动外星表巡视器的单轮实验单元样机沿着模拟地外星表地形沙盘地形前进，并且在这一过程中，驱动运动跟随装置跟随该样机的运动，在这一过程中，记录外星表巡视器的单轮实验单元样机以及多功能巡视器半物理仿真系统中各项传感器的数据用于后续处理和分析；

步骤五，调节地外星表巡视器的单轮实验单元样机的压力负载，重复步骤四，直到获得待测压力负载范围内充足的实验数据为止；

步骤六，将地外星表巡视器的单轮实验单元样机重新放置在地面上以后，打开机械接口，并且使多功能巡视器半物理仿真系统整体调回初始状态，结束半物理仿真实验。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明可以真实地再现巡视器在地外星表着陆以及在低重力环境中行进的情况，并且拥有系统刚度高，响应快，运动跟随和负载调节的精度好的优点。

2、本发明是可以完成包括巡视器着陆、低重力行进以及轮土力学模拟等的多功能半物理仿真系统。通过采用相应的实验方法，本发明可以对以上过程开展半物理仿真，适用于拥有多模式行进，大范围巡视特点的巡视器。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的示意图。

图2为本发明实施例多功能巡视器半物理仿真系统示意图。

图中示出：运动跟随装置1；六维力传感器单元2；地外星表巡视器样机3；模拟地外星表地形沙盘4；运动跟随装置中的六自由度操作臂5；运动跟随装置中的伺服滑轨6。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

实施例1

本发明公开了一种多功能巡视器半物理仿真系统该系统主要包括以下部件：运动跟随装置，用于半物理仿真实验中对巡视器的运动跟随以及负载调节，由六自由度操作臂与伺服滑轨两部分组成；六维力传感器单元连接在六自由度操作臂的末端，并且设置有通用机械接口来连接地外星表巡视器样机，用来对半物理仿真实验中的负载信息进行反馈；模拟地外星表地形沙盘为根据实验目标中地外星表环境特性构建的长方形地形沙盘，并且平行地布置在导轨的一侧；通讯接口模块将装置中的所有驱动控制对外开放，可以实现与巡视器控制器的通讯，完成多功能巡视器半物理仿真系统与巡视器的协调控制。可以真实地再现巡视器在地外星表着陆以及在低重力环境中行进的情况，并且拥有系统刚度高，响应快，运动跟随和负载调节的精度好的优点，是可以完成包括巡视器着陆、低重力行进以及轮土力学模拟等的多功能半物理仿真系统。

如图1所示，本实施例提供了一种多功能巡视器半物理仿真系统，用于火星大范围巡视器的着陆，低重力行进过程进行仿真以及对其行进过程中的轮土交互进行研究。

实施例中的多功能巡视器半物理仿真系统，包括运动跟随装置1、六维力传感器单元2、模拟地外星表地形沙盘4以及通讯接口模块(未在图中进行表示)。其中运动跟随装置，用于半物理仿真实验中对巡视器的运动跟随以及负载调节，由六自由度操作臂5与伺服滑轨6两部分组成；六维力传感器单元2连接在六自由度操作臂的末端，用来对半物理仿真实验中的负载信息进行反馈；模拟地外星表地形沙盘4为根据实验目标中地外星表环境特性构建的长方形地形沙盘，用来在仿真中模拟目标星环境；通讯接口单元作用为将装置中的所有驱动控制对外开放，实现多功能巡视器半物理仿真系统与巡视器样机3的协调控制。通讯接口单元未在图2中进行表示。

运动跟随装置1共拥有七个驱动自由度。六自由度操作臂5采用串联机械臂的形式，并且在其末端设置有与六位力传感器连接的机械接口。伺服滑轨6为单自由度滑动导轨，通过伺服电机驱动，可以实现精确的位置控制，并且在其移动平台上设置有机械接口，用于固连六自由度操作臂5。六自由度操作臂5的基座固连在伺服滑轨的基座上，可以整体跟随伺服滑轨6的移动平台运动。

六维力传感器2模块固连在运动跟随装置中六自由度操作臂5的末端，可以实现三维力和三维力矩的测量，并且设置有通用的机械接口，可以用来连接地外星表巡视器样机3。

模拟地外星表地形沙盘4为根据实验目标环境构建的长方形非构造地形沙盘，可以充分体现目标地外星表环境中的地形特征以及土壤力学特性，并且平行地布置在滑动导轨的一侧。

通讯接口单元，可以将移动跟随装置中的七个驱动自由度的控制对外开放，完成与地外星表巡视器样机的协调控制。

在仿真过程中多功能巡视器半物理仿真系统与巡视器样机协调控制，在不同的仿真工况中，采用不同的控制方式。在低重力行进仿真中，多功能巡视器半物理仿真系统对巡视器样机进行运动跟随，并且进行部分重力负载消除，使得巡视器样机的重力载荷维持在约3.72m/sec^2。在着陆仿真中，多功能巡视器半物理仿真系统根据着陆速度对巡视器样进行加速，并且对着陆时的冲击载荷进行模拟。

本发明的多功能巡视器半物理仿真系统实现的技术路线是将机器人技术、力控制技术、位置跟随技术和传感信息融合技术进行集成和创新，研制半物理仿真系统，完成对巡视器在地外星表环境中多种工况的仿真实验。根据需要仿真的工况，采用相应的实验方法，对巡视器和半物理仿真系统进行协调地运动控制以及力控制，可以实现巡视器在各种工况下的性能实验，利于地外星表巡视器的性能测试、评估和验证。

实施例2

实施例2可以视为是实施例1的优选例。实施例2说明的多功能巡视器半物理仿真方法，利用了实施例1说明的多功能巡视器半物理仿真系统。

本发明中的多功能巡视器半物理仿真方法，也称作复合功能地外星表巡视器半物理仿真实验方法，包括巡视器着陆仿真实验方法、低重力行进仿真实验方法以及轮土接触仿真实验方法。

巡视器着陆仿真实验方法，通过以下步骤来实现：

步骤一，首先将地外星表巡视器样机通过六位力传感器单元的机械接口与多功能巡视器半物理仿真系统固连，通过通讯接口单元将多功能巡视器半物理仿真系统中的所有驱动自由度交由地外星表巡视器样机控制器协调控制；

步骤二，通过对仿真工况的分析，驱动运动跟随装置中的六自由度操作臂将地外星表巡视器样机调整到合适的高度并且保持悬空；

步骤三，通过对仿真工况的分析，驱动运动跟随装置中的伺服滑轨将地外星表巡视器样机调节到模拟地外星表地形沙盘中目标着陆区域的上方或者侧上方；

步骤四，通过控制运动跟随装置中的六自由度操作臂，驱动外星表巡视器按照着陆轨迹完成在模拟地外星表地形沙盘上的着陆模拟，并且在这一过程中根据需要对重力负载进行部分消除或者补偿；

步骤五，在着陆模拟过程中，对地外星表巡视器样机以及多功能巡视器半物理仿真系统中的各项传感器的数据进行采集并用于后期处理和分析；

步骤六，将地外星表巡视器样机重新放置在地面上以后，打开机械接口，并且使多功能巡视器半物理仿真系统整体调回初始状态，结束半物理仿真实验。

所述低重力行进仿真实验方法，通过以下步骤来实现：

步骤一，将地外星表巡视器样机通过六位力传感器模块的机械机接口与多功能巡视器半物理仿真系统固连，通过通讯接口模块将多功能巡视器半物理仿真系统中的所有驱动自由度交由地外星表巡视器样机控制器协调控制；

步骤二，驱动运动跟随装置中的六自由度操作臂将地外星表巡视器样机调整到合适的高度并且保持悬空；

步骤三，通过对仿真工况的分析，驱动运动跟随装置中的伺服滑轨将地外星表巡视器样机调节到模拟地外星表地形沙盘一段的上方，随后将该样机放置在模拟地外星表地形沙盘上，保证样机所有轮与沙盘的接触；

步骤四，通过对仿真工况的分析，驱动运动跟随装置中的六自由度机械臂对重力负载进行部分消除；

步骤五，保持重力负载部分消除的情况下，驱动地外星表巡视器样机沿着模拟地外星表地形沙盘地形前进，并且在这一过程中，驱动运动跟随装置跟随该样机的运动，在这一过程中，记录地外星表巡视器以及多功能巡视器半物理仿真系统中各项传感器的数据用于后续处理和分析；

步骤六，将地外星表巡视器样机重新放置在地面上以后，打开机械接口，并且使多功能巡视器半物理仿真系统整体调回初始状态，结束半物理仿真实验。

所述轮土接触仿真实验方法，通过以下步骤来实现：

步骤一，将地外星表巡视器的单轮实验单元样机通过六位力传感器模块的机械机接口与多功能巡视器半物理仿真系统固连，通过通讯接口模块将多功能巡视器半物理仿真系统中的所有驱动自由度交由地外星表巡视器的单轮实验单元样机控制器协调控制；

步骤二，驱动运动跟随装置将地外星表巡视器的单轮实验单元样机放置在模拟地外星表地形沙盘中平整区域上；

步骤三，通过对仿真工况的分析，驱动运动跟随装置中的六自由度机械臂对地外星表巡视器的单轮实验单元样机的压力负载进行调节；

步骤四，保持压力负载的情况下，驱动外星表巡视器的单轮实验单元样机沿着模拟地外星表地形沙盘地形前进，并且在这一过程中，驱动运动跟随装置跟随该样机的运动，在这一过程中，记录外星表巡视器的单轮实验单元样机以及多功能巡视器半物理仿真系统中各项传感器的数据用于后续处理和分析；

步骤五，调节地外星表巡视器的单轮实验单元样机的压力负载，重复步骤四，直到获得待测压力负载范围内充足的实验数据为止；

步骤六，将地外星表巡视器的单轮实验单元样机重新放置在地面上以后，打开机械接口，并且使多功能巡视器半物理仿真系统整体调回初始状态，结束半物理仿真实验。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。