月球车试验样车控制与采集系统开发技术协议20150925

1、 月球车试验样车控制与采集系统开发技术协议甲方：哈尔滨工业大学宇航空间机构及控制研究中心乙方：哈尔滨理工大学机电控制及自动化技术研究所1. 总体要求 月球车试验样车控制与采集系统开发主要包括5部分： 1）恢复月球车试验样车（即六轮摇臂转向架式星球车地面实验样车）移动控制系统并进行相关检测； 2）设计并研制出基于电流环的月球车试验样车移动控制系统硬件平台及控制系统软件； 3）设计并研制出基于安装六维力/力矩传感器、IMU（惯性测量单元）、角度传感器等多种传感器的月球车实验样车数据采集系统硬件平台及采集系统软件； 4）设计并研制出基于激光雷达和摄像头的地图构建系统，与相应的月球车试验样车移动轨迹规

2、划方法；5）完成相关的实验与测试。2. 技术要求2.1. 控制和采集系统硬件基本框架控制和采集系统硬件系统示意图如图1所示。 图1月球车试验样车控制和采集系统示意图六轮月球车实验样车的硬件系统分为远程测控系统和月球车实验样车平台两部分，远程测控系统包括人机交互接口和视觉位姿测量系统，可完成远程控制、位姿检测和月球车实验样车平台的传感器数据显示功能。月球车实验样车平台主要完成传感器的数据的采集和各电机的运动控制功能。远程测控系统和月球车实验样车平台通过无线局域网络进行通讯。无线路由器通过网线和无线网卡分别与远程测控系统和月球车实验样车平台计算机主板相连接，通过TCP/IP协议建立通讯。通过无线局

3、域网络远程控制系统可以通过指令控制月球车实验样车完成各种运动。同时远程控制系统通过无线局域网可以获得月球车实验样车的传感器采集的数据。为方便对月球车实验样车进行操作本系统通过加装无线手柄，试验者可通过无线手柄控制月球车实验样车平台完成各种动作。无线手柄通过红外装置与月球车实验样车平台计算机主板相连接。月球车实验样车平台主要包括运动控制部分、传感器部分和通讯部分。运动控制部分的核心器件为多轴运动控制器，多轴运动控制器需同时对十台电机进行插补运动(6台电机驱动车轮运动，4台电机驱动车轮转向)。多轴运动控制器向伺服驱动器发出控制信号，使伺服驱动器驱动伺服电机运动。同时伺服电机将其自带编码器信号反馈回

4、多轴运动控制器完成对各电机位置信息的采集和实现闭环控制。多轴运动控制器还具有模拟量采集功能，可以采集角度传感器传来的角度信息。传感子系统分为外部传感器(视觉位姿检测系统)和内部传感器(六维力传感器、陀螺仪等)主要实现车体位姿信息的采集工作。月球车实验样车控制和采集系统硬件系统原理图如图2所示。月球车实验样车控制和采集系统主要由远程测控系统和月球车实验样车控制平台组成。针对月球车实验样车控制和采集系统设计了基于TCP/IP通讯的遥控操作与检测系统。本系统可以工作在Client/Server模式下。其工作原理如下：远程测控系统通过无线网络将指令发送给探测月球车实验样车，月球车实验样车在接收指令之后

5、对其进行命令解析，同时月球车实验样车结合自身传感器(如编码器、角度传感器、陀螺仪等)数据和已解析的命令控制各电机运动。月球车实验样车也将传感器反馈的信息通过无线网络传送给远程测控系统，操作人员可以通过远程测控系统界面实时观测车体的姿态、运动状况以及电机的当前电流、转速、当前位置等信息。远程测控系统中的视觉位姿定位系统通过双目视觉的方式为整个试验空间建立世界坐标系，并且获取月球车实验样车在空间的位姿。视觉位姿定位系统与月球车实验样车的编码器、角度传感器、陀螺仪等形成信息的冗余。图2 月球车实验样车控制和采集系统原理图2.2. 控制和采集系统软件基本框架月球车实验样车控制和采集系统软件平台架构示意

6、图如图3所示。本系统软件由两个可执行程序组成，即远程监控端软件(Crover_ClientDlg)和六轮月球车实验样车测控软件(Crover_ServerDlg)，通过无线局域网络进行通讯。为实现远程计算机对六轮月球车实验样车的遥控控制功能，系统采用远程计算机无线局域网通讯方式，实现远程计算机和六轮月球车实验样车计算机主板通讯的架构形式。无线局域互联网通讯方式为无线通讯，最远作用距离30m，采用TCP通讯协议通讯可有效杜绝在通讯过程中数据丢失现象，并且无线局域网通讯为实时同讯。采用TCP协议的无线局域互联网通讯方式可以满足远程计算机与六轮月球车实验样车车载计算机通讯的需要。远程控制端可对六轮月

7、球车实验样车实现自动和手动遥控操作，手动控制会直接向六轮月球车实验样车发送整车运动指令；自动控制会根据当前情况自动归化出一条路径发送给六轮月球车实验样车，六轮月球车实验样车自动跟随此路径运动。六轮月球车实验样车接收到命令后由命令解析模块对收到命令进行解析，解析后控制进行控制指令优先级判断控制整车协调控制。整车协调控制模块会根据六轮月球车实验样车当前状态信息进行控制，最终控制车轮运动。为实现软件内部对数据的方便存储，远程计算机和六轮月球车实验样车上分别规划有特定存储区域作为数据共享存储区使用。图3月球车实验样车控制和采集系统软件平台架构示意图2.3. 控制系统功能要求2.3.1. 基本功能要求乙

8、方根据甲方提供的月球车试验样车控制和采集系统的任务及功能进行设计，完成详细的功能和任务划分，硬件及软件实现功能。总体要求如下：月球车试验样车控制和采集系统的研发主要包括5个部分：（1）恢复原月球车试验样车移动控制系统并进行相关测检测；（2）进行基于电流环的月球车试验样车移动控制系统硬件平台的设计、搭建及调试，和软件平台的设计、编写及调试；（3）进行月球车实验样车有多种传感器组成的数据采集系统硬件平台的设计、搭建及调试，和软件平台的设计、编写及调试；（4）研制基于激光雷达和摄像头的地图构建系统，硬件平台的设计、搭建及调试，和软件平台的设计、编写及调试，并进行月球车试验样车的移动规划方法的研究；（

9、5）完成相关的实验与测试。本整车月球车试验样车控制和采集系统详细主要技术目标分解如下：1）恢复月球车试验样车移动系统，使移动系统达到原设计功能。整体规划方案如下：（1）恢复原控制系统硬件接线，并补充缺失部分，形成完整的硬件控制系统；（2）调试原控制系统软件，可达到原控制系统设计功能；（3）在恢复移动系统的基础上，检测各机械部件、各反馈机构的状况是否正常并可继续使用。2）研制基于电流环控制的月球车试验样车移动控制系统硬件平台和软件平台。对移动控制系统有以下要求：（1）实现针对伺服电机电流环的反馈控制机制；（2）月球车试验样车的六个驱动轮的驱动电机可同步、异步运转，前后四个转向电机可同步、异步运转

10、；（3）月球车试验样车的六个驱动轮配合四个转向电机可以实现直线行驶、前侧轮单独转向、后侧轮单独转向、前后同向转向，前后异向转向，六轮差速转向等运动控制要求；3）研制基于六维力/力矩传感器、IMU（惯性测量单元）、角度传感器等多种传感器的月球车实验样车数据采集系统硬件平台和软件平台。对数据采集系统有以下要求：（1）搭建采集系统的硬件平台，调试六维力/力矩传感器、IMU（惯性测量单元）、角度传感器等多种传感器，使其可以达到本项目数据采集的要求；（2）搭建采集系统的软件平台，对信息进行处理和记录以进行深入分析；4）研制基于激光雷达和摄像头的地图构建系统硬件平台和软件平台，并进行月球车试验样车的移动规

11、划方法的研究。对地图构建系统有以下要求：（1）搭建基于激光雷达和摄像头的地图构建系统硬件平台，并对激光雷达和摄像头进行合理标定；（2）搭建地图构建系统的软件平台，经过分析处理的地图数据信息可以用来生成实时地图；（3）研究基于以上生成地图的月球车试验样车的移动轨迹规划方法，规划方法应具有较好的实时性与稳定性。5）完成相关的实验与测试：（1）控制系统的各项功能测试；（2）在模拟星球环境下的月球车试验样车各项功能测试与数据采集。6）除完成上述技术目标外，还要求整车力学测试平台控制系统的硬件和软件具有良好的扩展性，并可进行二次开发。2.3.2. 数据输出的要求：1) 输出的数据包括：双方认为有必须要进

12、行记录的数据； 2) 数据输出格式：txt文档。2.3.3. 控制流程的要求遵循月球车试验样车控制和采集系统架构设计思想，控制系统主程序流程图如图4所示。其程序流程图如图4所示。其中远程监控程序和月球车试验样车控制和采集系统间的数据发送和接收是通过WinSocket套接字类编程来实现的。创建Socket套接字类的实例进行绑定操作与设备驱动程序建立连接。可执行程序发送信息给Socket套接字。然后，Socket由设备驱动程序将数据传送到网络上。另一台计算机获得与该Socket对应的IP地址和端口号相关的数据后，再经过设备驱动程序交给Socket套接字，可执行程序能经由此Socket套接字中提取接

13、获得的数据。其程序流程图如图5所示。月球车试验样车的通信部分基于TCP/IP 网络，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户机/服务器(client/server)模式，即客户向服务器提出请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。基于TCP的socket编程的服务器端程序流程如下：1创建套接字(socket)；2将创建字绑定到一个本地地址和端口上(bind)；3将套接字设为监听模式，准备接收客户请求(listen)；4等待客户请求到来；等请求到来后，接收连接请求，返回一个新的对应于此次连接的套接字(accept)；5用返回的套接字和客户端进行通信(send/recv)；6返回，等待另一客户请求

14、；7关闭套接字。基于TCP的socket编程的客户端流程如下：1创建套接字(socket)；2向服务器发出连接请求(connect)；3和服务器端进行通信(send/recv)；4关闭套接字。月球车试验样车测控端通信部分用了连个函数实现服务器的绑定监听和请求等待，数据的发送和接收命令放在了数据采集函数中。图4月球车实验样车控制系统主程序流程图 图5 socket 程序流程图2.3.4. 控制算法预留接口的要求月球车试验样车控制和采集系统为满足对动力学性能、受力学分析、可靠性论证、仿真结果的实际检验以及新理论的可行性检验提供重要的试验数据和试验支持。月球车试验样车控制和采集系统必须据有良好的扩展

15、性。根据实际试验特点设计软件的同时，还要为控制算法预留接口。路径规划算法与环境信息共同组成路径规划模块。路径规划模块根据相应控制原则输出运动轨迹。轨迹跟踪模块根据轨迹跟踪算法和月球车实验样车当前运动状态信息得出整车速度矢量。整车速度矢量信息作为整车协调运动的输入，经整车协调算法计算得到个车轮运动矢量信息。电机控制模块会将各车轮运动矢量信息转化为电机运动信息，最终由电机控制模块控制电机实现运动。系统算法接口框图如图6所示。 图6 系统算法接口框图 3. 系统开发时间节点的要求乙方应按下列进度完成研究开发工作：主要分为五个阶段完成：1.方案的制定及原系统恢复工作进度安排如下：（1）2015年10月

16、15日前，对乙方人员进行分工，形成硬件设计及系统恢复的时间节点；（2）2015年12月15日前，完成所有硬件系统设计和原系统恢复，并形成新控制系统的硬件采购清单。2.设计并完成研制基于电流环控制的月球车试验样车移动控制系统硬件平台和软件平台的进度安排如下：（1）2016年1月15日前，完成月球车试验样车移动控制系统硬件设计；（2）2016年2月31日前，在硬件设计的基础上进行月球车移动控制系统软件设计；（3）2016年3月31日前，完成控制系统硬件平台的搭建与调试，并预留好传感器的接口；（4）2016年4月31日前，完成控制系统硬件与软件初步联合调试。3.设计并完成研制基于六维力/力矩传感器、

17、IMU（惯性测量单元）、角度传感器等多种传感器的月球车实验样车数据采集系统硬件平台和软件平台的进度安排如下：（1）2016年5月31日前，完成各传感器的硬件平台搭建、调试与标定等工作；（2）2016年6月31日前，编写软件并完成对各传感器的数据采集、处理与存储工作；4. 设计并完成基于激光雷达和摄像头的地图构建系统硬件平台和软件平台，并进行月球车试验样车的移动规划方法的研究的进度安排如下：（1）2016年7月31日前，完成基于激光雷达和摄像头的地图构建系统硬件平台搭建与标定工作；（2）2016年7月31日前，编写地图构建系统软件以生成和记录实时地图；（3）2016年9月31日前，完成月球车试验

18、样车移动规划方法设计与应用。5.进行相关实验与测试进度安排如下：（1）2016年10月31日前，完成月球车试验样车控制和采集系统的各项功能的基础测试；（2）2016年11月31日前，完成在模拟星球环境下各项功能测试与数据采集。6.售后服务的内容和进度安排如下：（1）乙方在整个项目过程中应及时与甲方沟通项目进展状况；（2）2016年12月31日前，乙方应认真撰写完成相关报告，并对甲方的相关人员进行相关培训；（3）项目验收后出现的问题由甲方和乙方友好协商解决。4. 项目验收的要求 项目验收时，乙方研究成果的提交内容、形式与注意事项： 1、研究开发成果交付的形式及数量： 1）乙方开发完成后，提交的产品实物包括：（1）月球车试验样车（无人月球车）移动控制系统硬件一套（倍福相关组件、电机驱动器与机械组件由甲方提供）；（2）基于多传感器（含六维力传感器、码盘、角度传感器、激光雷达、摄像头等）