基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置及测试方法与流程

本发明属于智能行进体测试技术领域，具体涉及一种基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置及测试方法。

背景技术：

灾害搜救类智能行进体，是一种面向地震灾难应用、能够在废墟缝隙中运动与探测、并可对废墟中的幸存者实施辅助救援的智能行进体系统，已成为当今重要研究课题。研究出高效的灾害搜救类智能行进体，并使其广泛运用到灾后救援工作中，可降低人力物力投入、减少救援工作中的意外伤亡，并提高救援效率与成功率，对于提高人类自身抵抗自然灾害能力的进程具有显著意义。

对于灾害搜救类智能行进体的研究，重点需解决的问题之一为：如何提高智能行进体的运动能力，使其能够适应各种复杂的地形条件，例如，废墟、泥地、沙地、台阶、陡坡或壕沟等。因此，在智能行进体的研究过程中，需要反复使用测试装置对智能行进体的性能进行测试。

同样的，对于非智能行进体，例如，车模、小型车辆等，也需要对其通过能力、越障能力、转弯和防倾覆等能力进行性能测试。

现有技术中，在对智能行进体和非智能行进体进行不平整路面测试时，主要采用以下两种方式之一模拟不平整路面：(1)将不同高度砖块、木料等建筑材料平铺在路面上，从而临时构建一个不平整路面；(2)在泥土路面挖掘不同深度的小型沟壑，达到模拟不平整路面的效果。

上述方式存在的主要问题为：(1)构建完成的测试装置的测试指标单一固定不可调整，因此，针对不同种类智能行进体，需要构建具有不同测试路面指标的测试装置，其中，路面指标包括不平整度和障碍高度等；因此，具有测试装置搭建过程繁琐的问题，另外，由于需要搭建多个独立的测试装置，也造成了大量场地和资金的浪费。(2)无法成为定型的测试装置，测试指标非固定，无法量化智能行进体的综合行动能力。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置及测试方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置，包括承载基础(1)和多个测试单元(2)；

各个所述测试单元(2)排列固定于所述承载基础(1)上；

其中，每个所述测试单元(2)均包括升降机构(3)和测试壳体(4)；所述升降机构(3)包括丝杆(3.1)、丝杆螺母(3.2)、固定套管(3.3)和轴承(3.4)；所述固定套管(3.3)垂直固定安装于所述承载基础(1)上，所述固定套管(3.3)的内部设置所述轴承(3.4)；所述丝杆(3.1)垂直设置，并且，所述丝杆(3.1)的底端套设于所述轴承(3.4)上，使所述丝杆(3.1)通过所述轴承(3.4)与所述固定套管(3.3)可旋转的连接；所述丝杆螺母(3.2)套设于所述丝杆(3.1)上，并且，所述丝杆螺母(3.2)置于所述测试壳体(4)的空腔中，所述丝杆螺母(3.2)的外壁与所述测试壳体(4)的内壁固定。

优选的，所述测试壳体(4)的横截面为矩形。

优选的，各个所述测试壳体(4)的侧面之间紧密接触。

优选的，还包括用于限制各个所述测试壳体(4)倾斜的固定围板(5)；所述固定围板(5)的底端与所述承载基础(1)的外围固定连接。

优选的，所述测试壳体(4)的内径大于所述固定套管(3.3)的外径，使所述固定套管(3.3)可完全置于所述测试壳体(4)的空腔中。

优选的，所述丝杆(3.1)的顶端面设置有丝杆调整单元(6)；在所述测试壳体(4)的顶端面且位于所述丝杆调整单元(6)正上方的位置设置有丝杆调整工具穿入孔(7)。

优选的，所述丝杆调整单元(6)为丝杆调整十字槽或丝杆调整方孔；

还包括穿入孔盖；所述穿入孔盖置于所述丝杆调整工具穿入孔(7)的孔内。

优选的，每个所述测试单元(2)还包括驱动电机；所述驱动电机内置于所述固定套管(3.3)中，所述驱动电机与所述丝杆(3.1)的底端联动，用于驱动所述丝杆(3.1)进行顺时针或逆时针旋转。

优选的，还包括总控制器；所述总控制器分别与各个所述测试单元(2)的所述驱动电机连接。

本发明还提供一种基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置的测试方法，包括以下步骤：

S1，将n个测试单元(2)排列固定于承载基础(1)上，使相邻测试单元(2)的测试壳体(4)紧密接触；其中，n为自然数；

S2，在承载基础(1)所在平面建立二维直角坐标系，得到每个所述测试单元(2)的位置坐标；

S3，配置总控制器的初始参数；包括：n个测试单元(2)的位置坐标、每个测试单元(2)的测试壳体(4)的横截面的长度值和宽度值、前次模拟得到的路面参数、以及本次需要模拟的路面参数；

S4，所述总控制器基于所述初始参数，计算得到每个所述测试单元(1)的理想距离调整值，并根据所述理想距离调整值，分别生成与每个所述测试单元(2)唯一对应的控制指令；其中，所述控制指令包括驱动电机ID、驱动电机转动方向和驱动电机转动次数；所述理想距离调整值包括理想距离上升值或理想距离下降值；

S5，所述总控制器将每个所述控制指令发送给对应的所述测试单元(2)的驱动电机，使所述驱动电机按所述转动次数进行顺时针或逆时针转动；其中，在所述驱动电机转动时，所述驱动电机带动所述丝杆(3.1)转动，所述丝杆(3.1)的转动运动转化为所述丝杆螺母(3.2)进行上升或下降的直线运动，而由于所述丝杆螺母(3.2)与所述测试壳体(4)固定连接，因此，所述丝杆螺母(3.2)的上升或下降运动即为所述测试壳体(4)的上升或下降运动，由此实现各个测试单元(2)的测试壳体(4)上升或下降到所需的距离，则各个测试壳体(4)的上表面拼接为满足本次需要模拟的路面参数的模拟路面。

本发明还提供一种上述的基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置的测试方法，包括以下步骤：

S10，总控制器构建地形曲面数学模型；

S11，每个测试单元(2)的测试壳体(4)截面为矩形，设其长度值为A0， 宽度值为B0；

S12，选取A*B场地范围，即：该场地的长度值为A，宽度值为B；在所述场地布置m*n个测试单元，组成测试单元阵列；其中，m＝A/A0；n＝B/B0；

S13，在所述场地建立笛卡尔坐标系X-Y-Z；其中，X轴和Y轴为在水平面相互垂直的坐标轴；Z轴为铅垂线；

S14，总控制器获得所述m*n个测试单元在所述笛卡尔坐标系中的水平面位置坐标(X，Y)；将所述m*n个测试单元的水平面位置坐标以及需要重构的地形曲面参数输入所述地形曲面数学模型，所述地形曲面数学模型经运算，得到每个所述测试单元的理想高度值Z1；

S15，总控制器根据每个所述测试单元的理想高度值Z1，获得相应测试单元的当前实际高度值Z2，然后计算得到每个所述测试单元(2)的理想距离调整值，并根据所述理想距离调整值，分别生成与每个所述测试单元(2)唯一对应的控制指令；其中，所述控制指令包括驱动电机ID、驱动电机转动方向和驱动电机转动次数；所述理想距离调整值包括理想距离上升值或理想距离下降值；

S16，总控制器将每个所述控制指令发送给对应的所述测试单元(2)的驱动电机，使所述驱动电机按所述转动次数进行顺时针或逆时针转动；其中，在所述驱动电机转动时，所述驱动电机带动所述丝杆(3.1)转动，所述丝杆(3.1)的转动运动转化为所述丝杆螺母(3.2)进行上升或下降的直线运动，而由于所述丝杆螺母(3.2)与所述测试壳体(4)固定连接，因此，所述丝杆螺母(3.2)的上升或下降运动即为所述测试壳体(4)的上升或下降运动，由此实现各个测试单元(2)的测试壳体(4)上升或下降到所需的距离，则各个测试壳体(4)的上表面变换或重构为需模拟的地形曲面。

本发明提供的基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置及测试方法具有以下优点：

在构建具有一定规模的测试装置后，只需要调整各个测试单元的高度，即可得到具有不同平整度的模拟路面，而不需要重新构建测试装置，提高了测试装置的通用性，节约了测试场地和测试资金。

附图说明

图1为基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置组装后的立体示意图；

图2为基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置组装后的俯视图；

图3为基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置组装后的侧视图；

图4为每个测试单元2的机械结构立体示意图；

图5为通过电钻等工具驱动丝杆旋转的结构示意图；

图6为丝杆螺母移动到丝杆螺纹最底端时的结构示意图；

图7为丝杆螺母移动到丝杆螺纹最顶端时的结构示意图；

图8为模拟垂直障碍型不平整路面的效果图；

图9为模拟水平壕沟型不平整路面的效果图；

图10为模拟凸岭型不平整路面的效果图；

图11为模拟路沟型不平整路面的效果图；

图12为模拟弹坑型不平整路面的效果图；

图13为模拟复杂路面型不平整路面的效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

本发明提供一种基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置及测试方法，用于对智能行进体行动能力进行测试，其中，智能行进体既可以为灾害搜救类机器人，也可以为其他智能设备，例如，车模等，用于对车模进行性能测试，本发明对智能行进体的具体类型并不限制。如图1所示，为基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置组装后的立体示意图；如图2所示，为基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置组装后的俯视图，如图3所示，为基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置组装后的侧视图，包括：承载基础1和多个测试单元2；各个测试单元2排列固定于承载基础1上；在承载基础1的外围还固定有固定围板5，通过承载基础1和固定围板5的共同限位作用，使各个测试单元紧密排列于固定围板5所围成的矩形空间中，可避免在对智能行进体测试时，测试单元发生水平方向倾斜，提高了测试装置的连接性能。此外，测试单元的测试壳体4的横截面为矩形，从而可以保证各个测试单元排列并固定于承载基础上时，相邻测试壳体4之间紧密接触，不存在间隙，防止因间隙而造成对智能行进体测试的不必 要干扰，达到更为逼真的模拟不平整路面的效果。

如图4所示，为每个测试单元2的机械结构立体示意图，均包括升降机构3和测试壳体4；

升降机构3包括丝杆3.1、丝杆螺母3.2、固定套管3.3和轴承3.4；固定套管3.3垂直固定安装于承载基础1上，可采用焊接或螺丝固定方式；固定套管3.3的内部设置轴承3.4；丝杆3.1垂直设置，并且，丝杆3.1的底端套设于轴承3.4上，使丝杆3.1通过轴承3.4与固定套管3.3可旋转的连接；丝杆螺母3.2套设于丝杆3.1上，并且，丝杆螺母3.2置于测试壳体4的空腔中，丝杆螺母3.2的外壁与测试壳体4的内壁固定。因此，当使丝杆发生顺时针或逆时针转动时，可驱动丝杆螺母进行上升或下降的直线运动，从而带动测试壳体进行升降运动，达到调整测试壳体高度而模拟不同效果路面的目的。

在上述结构中，测试壳体与丝杆螺母固定，而丝杆螺母与丝杆构成丝杆螺母副，可将丝杆的旋转运动转化为螺母的直线运动；丝杆通过轴承与固定套管可转动连接，而固定套管固定于承载基础上，因此，固定套管在确保丝杆能够在套管中自由旋转的同时，固定套管还对整个测试装置具有侧向支撑作用，保证上部的测试壳体的垂直状态。

此外，本发明中，丝杆的螺纹高度即为测试壳体的高度调节范围，例如，如果丝杆的螺纹高度为50cm，则测试壳体的高度调节范围即为0～50cm。如图6所示，为丝杆螺母移动到丝杆螺纹最底端时的结构示意图，如图7所示，为丝杆螺母移动到丝杆螺纹最顶端时的结构示意图，由此可见，为实现上述效果，需要满足以下设计参数：测试壳体4的内径大于固定套管3.3的外径，使固定套管3.3可完全置于测试壳体4的空腔中。通过上述结构，在尽量降低整个测试装置成本的前提下，最大可能的提高了测试壳体的高度调节范围。

本发明中，可采用各类结构形式向丝杆施加外力，从而驱动丝杆旋转，进而调节测试壳体4的高度。以下仅介绍两种具体结构形式：

(1)非自动驱动结构形式

本例为采用电钻等工具驱动丝杆旋转的示例。

如图5所示，为通过电钻等工具驱动丝杆旋转的结构示意图；丝杆3.1的顶端 面设置有丝杆调整单元6，例如，丝杆调整十字槽或丝杆调整方孔；在测试壳体4的顶端面且位于丝杆调整单元6正上方的位置设置有丝杆调整工具穿入孔7。当需要模拟某种类型的地面参数时，计算得到每个测试壳体的高度值，然后，使用十字头电钻8等工具穿过丝杆调整工具穿入孔而作用于丝杆调整十字槽或方孔上，通过电钻驱动丝杆进行顺时针或逆时针旋转，丝杆旋转力作用于丝杆螺母，从而给予测试壳体垂直向上或向下的作用力，最终实现测试壳体的上升或下降运动，并且，这种上升或下降是连续可调的。由于在测试壳体的顶端所开设的丝杆调整工具穿入孔7的孔径非常小，因此，不会影响模拟路面的测试性能。当然，对于需要精细模拟路面的场合，也可以设置穿入孔盖；穿入孔盖置于丝杆调整工具穿入孔的孔内。通过穿入孔盖，保证测试壳体上表面的光滑性，提高测试效果。

(2)自动驱动结构形式

本例为采用电机自动驱动丝杆旋转的示例。

每个测试单元2还包括驱动电机；驱动电机内置于固定套管3.3中，驱动电机与丝杆3.1的底端联动，用于驱动丝杆3.1进行顺时针或逆时针旋转。

还包括总控制器；总控制器分别与各个测试单元2的驱动电机连接，通过总控制器自动控制驱动电机旋转。下面介绍一种基于总控制器的测试方法，包括以下步骤：

S1，将n个测试单元2排列固定于承载基础1上，使相邻测试单元2的测试壳体4紧密接触；其中，n为自然数；

S2，在承载基础1所在平面建立二维直角坐标系，得到每个测试单元2的位置坐标；

S3，配置总控制器的初始参数；包括：n个测试单元2的位置坐标、每个测试单元2的测试壳体4的横截面的长度值和宽度值、前次模拟得到的路面参数、以及本次需要模拟的路面参数；

S4，总控制器基于初始参数，计算得到每个测试单元1的理想距离调整值，并根据理想距离调整值，分别生成与每个测试单元2唯一对应的控制指令；其中，控制指令包括驱动电机ID、驱动电机转动方向和驱动电机转动次数；理想距离 调整值包括理想距离上升值或理想距离下降值；

S5，总控制器将每个控制指令发送给对应的测试单元2的驱动电机，使驱动电机按转动次数进行顺时针或逆时针转动；其中，在驱动电机转动时，驱动电机带动丝杆3.1转动，丝杆3.1的转动运动转化为丝杆螺母3.2进行上升或下降的直线运动，而由于丝杆螺母3.2与测试壳体4固定连接，因此，丝杆螺母3.2的上升或下降运动即为测试壳体4的上升或下降运动，由此实现各个测试单元2的测试壳体4上升或下降到所需的距离，则各个测试壳体4的上表面拼接为满足本次需要模拟的路面参数的模拟路面。

此外，本发明还提供一种基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置的测试方法，包括以下步骤：

S10，总控制器构建地形曲面数学模型；

S11，每个测试单元2的测试壳体4截面为矩形，设其长度值为A0，宽度值为B0；

S12，选取A*B场地范围，即：该场地的长度值为A，宽度值为B；在场地布置m*n个测试单元，组成测试单元阵列；其中，m＝A/A0；n＝B/B0；

S13，在场地建立笛卡尔坐标系X-Y-Z；其中，X轴和Y轴为在水平面相互垂直的坐标轴；Z轴为铅垂线；

S14，总控制器获得m*n个测试单元在笛卡尔坐标系中的水平面位置坐标X，Y；将m*n个测试单元的水平面位置坐标以及需要重构的地形曲面参数输入地形曲面数学模型，地形曲面数学模型经运算，得到每个测试单元的理想高度值Z1；

S15，总控制器根据每个测试单元的理想高度值Z1，获得相应测试单元的当前实际高度值Z2，然后计算得到每个测试单元2的理想距离调整值，并根据理想距离调整值，分别生成与每个测试单元2唯一对应的控制指令；其中，控制指令包括驱动电机ID、驱动电机转动方向和驱动电机转动次数；理想距离调整值包括理想距离上升值或理想距离下降值；

本步骤中，获得相应测试单元的当前实际高度值的获取方式可以为：刻度标定方式、激光测量方式、电磁波测量方式，也可以在每个测试单元的顶部安装微型的位置传感器，通过位置传感器自动测量得到测试单元的实际高度值。 本发明对测试单元实际高度值的具体测量方式并不限制。

S16，总控制器将每个控制指令发送给对应的测试单元2的驱动电机，使驱动电机按转动次数进行顺时针或逆时针转动；其中，在驱动电机转动时，驱动电机带动丝杆3.1转动，丝杆3.1的转动运动转化为丝杆螺母3.2进行上升或下降的直线运动，而由于丝杆螺母3.2与测试壳体4固定连接，因此，丝杆螺母3.2的上升或下降运动即为测试壳体4的上升或下降运动，由此实现各个测试单元2的测试壳体4上升或下降到所需的距离，则各个测试壳体4的上表面变换或重构为需模拟的地形曲面。

S16中，当调整各个测试单元的实际高度，使其升降至趋于理想高度值Z1的位置之后，还包括：

S17，检测到调整后的测试单元的实际高度值Z3；

然后，判断检测得到的实际高度值Z3与理想高度值Z1的偏差是否在可容许范围内，如果在，则表明各个测试单元高度调整情况符合预期，结束对该测试单元的高度进行进一步调整；如果不在，则执行S18；

S18，进一步对测试单元的实际高度值进行调整，如此不断循环，直到调整后的实际高度值与理想高度值Z1的偏差在可容许范围内。

本发明中，通过对各种测试单元高度的灵活调整，可模拟出各种复杂路面，提供测试智能行进体在不平整路面行动能力的装置。例如，如图8所示，为模拟垂直障碍型不平整路面的效果图；如图9所示，为模拟水平壕沟型不平整路面的效果图；如图10所示，为模拟凸岭型不平整路面的效果图；如图11所示，为模拟路沟型不平整路面的效果图；如图12所示，为模拟弹坑型不平整路面的效果图；如图13所示，为模拟复杂路面型不平整路面的效果图。当然，根据实际需求，可灵活组合出各类复杂路面，图8-图13仅为具体的示例。

由此可见，本发明提供的基于丝杆螺母副的可重构地形综合测试装置及测试方法具有以下优点：

(1)在构建具有一定规模的测试装置后，只需要调整向各个测试单元发送的上升或下降高度的指令，即可得到具有不同平整度的模拟路面，而不需要重新构建测试装置，提高了测试装置的通用性，节约了测试场地和测试资金；

(2)每个测试单元均固定于承载基础上，有效达到对测试单元的固定作用，提高测试单元的连接性能，防止在对智能行进体进行测试时，测试单元发生水平移位，因此，提高了对不平整路面的模拟能力；

(3)通过对每个单体丝杆调整十字槽或方孔进行顺时针或逆时针旋转作业，可连续升降丝杆，从而连续升降各测试壳体，可变换和重构各种典型地形环境，为地面移动机器人、汽车模型、其它地面移动体的通过性能、越障性能、抗倾覆能力等的测试，提供不同的、可调整的路面环境条件，且这种调整具有连续性。该装置还可为计算机路面环境仿真设计提供模型依据。

(4)为一种简便、定型、而且灵活可调的智能行进体可重构地形综合测试装置，具有固定的测试指标，能够量化智能行进体的综合行动能力；而且，可根据实际测试需求，灵活调整测试设备对智能行进体行动能力的测试复杂难度，满足对智能行进体行动能力的测试需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。