(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211265563.4 (22)申请日 2022.10.16 (71)申请人 中国计量大 学 地址 310018 浙江省杭州市下沙高教园区 学源街258号 (72)发明人 杨力　韩春秀　闫珍锜　罗哉　 (74)专利代理 机构 杭州兴知捷专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 33338 专利代理师 董建军 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06T 15/00(2011.01) G06T 17/05(2011.01) G06T 17/20(2006.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种星球车自主漫游 虚拟仿真方法 (57)摘要 本发明提出了一种星球车自主漫游虚拟仿 真方法， 所述方法包括： 参数化地形设置模块， 涉 及具有几何特征与物理性质相结合的随机地形 的建模方法， 以构建不同的星球复杂地表环境； 在星球车建模模块中建立的星球车数学模型， 可 通过坐标转换的方式加载到参数化地形中实现 人机交互功能； 星球车控制模块中以轮地接触模 型为核心， 把输入的控制指令传递给子模块实现 车体运动状态的预测与调整， 使用外部输入设备 控制星球车在不同地形上自主规划； 双目相机模 块， 在UI中实时更新星球车上的双目摄像机的画 面信息， 并对 图像信息进行实时截图保存； 视角 切换模块， 通过此模块对仿真系统整体场景进行 动态观测。 该仿真方法真实有效地模拟星球车在 不同地形特征参数的复杂地形下的整体星球环 境， 实现了地形与星球车之间的人机交互， 具有 极大的实用价 值。 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 CN 115544662 A 2022.12.30 CN 115544662 A 1.一种星球车自主漫游虚拟仿真的方法， 其特征在于， 所述方法包括以下模块内容： 参 数化地形设置模块、 星球车建模 模块、 星球车控制模块、 视角切换模块以及 双目相机模块； 所述参数化地形设置模块， 包括了基础地形建模仿真与特征地形建模仿真的方法。 将 不同的地形参数添加到地形节点中， 建立具有几何特性与物理属 性的基础地形高程图， 再 叠加特征地形部分高程图， 通过平面网格顶点位移映射构建整体地形。 通过构建分形函数 将地形中重要参数提取出来， 对这些参数进 行随机调整来模拟不同地形特征的星球复杂环 境。 所述星球车建模模块， 其特征为将车身假设为具有六个自由度的刚体， 除车轮部分， 其 他部件都为无质量的弹性和阻尼系统， 将整体的广义 坐标可以定义 为： x＝[X Y Z α β γ θi]T 其中α 为滚动角， β 为俯仰角， γ为偏航角， θi为悬挂系统的位置在固定坐标系中的广义 坐标， i为车轮的数量。 在惯性 参考坐标系G中， 每 个车轮中心的位置Z则可以表示 为： 基于以上分析， 车身的角速度则可以表示 为： 其中， R2， R3分别为滚动角与俯仰角的旋转矩阵。 所述星球车控制模块， 以轮地接触模型为核心预测了车体受力情况， 并且可利用外部 输入设备， 通过产生一定大小和方向的操控力， 对星球车 的运动方向以及行驶速度等参数 进行控制， 进 而实现了星球车在参数化复杂星球地表的自主漫游 功能。 所述视角切换模块， 通过鼠标等外部输入设备调整像机的高度及推进拉远近速度等摄 像机参数来改变视角， 实现对整体地形的动态观测。 为了加快场景渲 染的速度， 提高画 面的 渲染帧率， 在这里采用LOD算法对三 维场景进 行优化处理， 先对场景中三 维模型的几何数据 进行预处理， 根据不同场景的要求， 在保持原模型数据的几何特征以及视觉效果的同时， 渲 染出不同分辨 率的模型。 所述双目相机模块， 用于实时更新星球车上双目摄像机所拍摄的画面信息， 同时可以 对图像信息进行实时截图保存， 此图像数据进行校正和立体匹配后将得到深度图， 为后续 探测工作做准备。 本仿真方法通过星球车建模模块生成符合动力学和运动学及星球车结构参数的数学 模型， 使用参数化地形设置模块构建符合星球地表特征 的地形， 虚拟仿真系统可捕获星球 车控制模块 发出的控制指 令， 再通过反馈模块与辨识模块之间传递的仿真数据对星球车进 行调整， 最终实现星球车在参数化地形中的自主漫游， 用户可通过视角切换模块以及双目 相机模块对星球车的运动过程和星球整体场景进行实时观测。 2.根据权利要求1所述的一种 星球车自主漫游虚拟仿真的方法， 其特征在于， 所述的参 数化地形设置模块包括了基础地形建模与特征地形建模仿 真的方法， 将两种方法得到的地 形进行叠加可 得到星球表面 地形。 3.根据权利要求2所述的一种 星球车自主漫游虚拟仿真的方法， 其特征在于， 基础地形 建模部分包括了具有几何特征与 物理性质相结合的随机地形的建模方法， 特征地形建模部权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115544662 A 2分包括陨石撞击坑等特征物体的建模仿真方法。 其中， 几何特征包括了星球表面的起伏程 度或粗糙度等的总体地形仿真， 物理性质包括了星球混合 地形中不同接触力参数的仿真。 4.根据权利要求3所述的一种 星球车自主漫游虚拟仿真的方法， 其特征在于， 具有 几何 特征的随机地形的建模仿真方法， 具体为： 使用Perlin噪声算法生成噪声图， 以噪声图作为参数化随机地形的载体， 进而利用 Perlin噪声构造分形， 其计算公式如下所示， 来构建符合星球地表几何特征的参数化随机 地形。 5.根据权利要求3所述的一种 星球车自主漫游虚拟仿真的方法， 其特征在于， 具有物 理 性质的随机地形的建模仿 真方法， 具体为： 在这里将地形划分为离散的节点， 用三角形元素 来生成整个地形表面， 地形节点的坐标分别为(X， Y， Z， Ks)。 其中变量(X， Y， Z)表示了地形的 几何特性， Ks作为地形的等效刚度， 表示节点的物理特性， 通过对Ks赋予不同的值来模拟不 同地形下的接触力学参数， 从而形成混合 地形。 6.根据权利要求1中所述的一种 星球车自主漫游虚拟仿真的方法， 其特征在于， 所述星 球车控制模块包括车轮部分， 具体为： 车轮部分的设计是根据汽车自动驾驶技术的原理所 延伸。 通过坐标转换等方法将星球车置于虚拟场景中， 通过添加碰撞体组件并为其设置物 理性质来模拟星球车与参数化地形 的接触， 调整星球车碰撞体的位置与参数， 避免其发生 沉陷或穿模效果。 7.根据权利要求1中所述的一种 星球车自主漫游虚拟仿真的方法， 其特征在于， 所述星 球车控制模块包括反馈模块， 具体为： 此模块用于接收星球车摇杆 ‑摇臂这种特殊悬架机构 在上述参数化地形下所 受到的作用力， 通过对当前车轮的物理属性以及对基于Wong ‑Reece 模型的轮 ‑地相互作用力进行分析， 来获取星球车各个车轮在复杂地形下的力矩， 再传递给 辨识模块。 8.根据权利要求1中所述的一种 星球车自主漫游虚拟仿真的方法， 其特征在于， 所述星 球车控制模块包括辨识模块， 具体为： 此模块用于接 收反馈模块输出 的关于星球车在不同 参数化地形下驱动力矩、 沉陷量以及挂钩牵引力之间的差异， 进而对相关土壤参数进行估 计与辨识， 从而使星球车可以根据辨识模块所估计的地表土壤性质来调整它的控制策略， 进而提高运动通过性能。 9.根据权利要求1中所述的一种 星球车自主漫游虚拟仿真的方法， 其特征在于， 所述视 角切换模块中相 机参数包括了转换矩阵、 裁剪平面以及投射方式。 所述的转换矩阵包括了 相机所在位置的参数、 缩放比例以及旋转角度； 所述的裁剪平面是指相 机开始渲染与停止 渲染之间的距离， 包括了开始渲染最近的视角距离与最远的视角距离； 所述的投射方式包 括了Perspectjve透 视与Orthographic正交两种模式。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115544662 A 3