松软地形下六轮星球车运动建模及跟踪控制研究

发布时间：2020-07-15 09:21

【摘要】：近年来,世界各国相继展开了一系列的星球探测任务,作为科学探测仪器的有效载体平台,星球车在星球探测工程中起着举足轻重的作用。然而,由于星球表面覆盖着一层松软的星壤,使得星球车在行驶过程中难以维持车轮纯滚动的理想状态,为星球车的运动跟踪控制带来了新的挑战。目前,针对轮式移动机器人/星球车的运动跟踪控制,大多数研究仍然是基于车轮纯滚动的理想假设展开的,学者们往往忽略车轮在松软地形下的纵向及侧向滑动所带来的干扰问题。因此,针对星壤这一类松软地形,本文在考虑车轮纵向/侧向滑动的情况下,对星球车的运动跟踪控制展开了一系列的研究。为了在崎岖地形下,保持车体行驶过程中的平稳性,本文以一款六轮摇臂型星球车作为研究对象。在星球车行驶过程中,为了对各运动关节进行有效地多自由度控制,本文根据星球车的各个关节运动关系,将车体的运动指令分解至各个执行机构以实现期望的车体运动效果,进而推导得到了车体运动速度与车轮驱动电机和转向电机之间的雅克比矩阵;根据星球车在松软地形上行驶过程中产生车轮纵向/侧向滑动的轮地相互作用机理,建立了受车轮纵向/侧向滑动干扰的星球车运动学模型;进一步,结合松软地形下的轮地作用力学理论,以及传统的车辆运动学/动力学理论,推导得到了受车轮纵向/侧向滑动影响的星球车动力学模型。在松软崎岖地形下,受纵向/侧向滑动的干扰,车轮的轨迹跟踪性能会变差,使得传统星球车轨迹跟踪算法得到的控制指令产生偏差。此外,由于地形几何参数和力学参数的变化,每个车轮产生的纵向/侧向滑动程度也不同,使得采用固定的补偿算法对指令的跟踪效果往往较差。因此,本文根据建立的六轮星球车运动学模型,对星球车车体参考点指令速度和各执行机构(驱动电机和转向电机)之间的雅克比矩阵进行解耦,进而可以将星球车车体的轨迹跟踪控制量(前进速度和转向速度)分别映射到星球车的六个驱动电机和四个转向电机;利用前馈型神经网络及无迹卡尔曼滤波算法对轮地接触面产生的车轮纵向滑动参数进行预测和补偿;通过最优控制对轮地相互作用产生的车轮侧向滑动进行预测和补偿,进而保证星球车能够按照预定轨迹完成巡航和探测任务。尽管采用自主轨迹跟踪控制算法能够完成给定的任务,然而,在星球表面无处不潜伏着威胁到星球车安全性的因素,指令的偏离往往带来不可挽回的损失,因此,在星球车控制工程中,远程的遥操作控制同样是必不可少的一种控制模式。为了在远距离对星球车进行遥操作,本文提出了基于速度跟踪误差的星球车双向力反馈遥操作系统,并采用Llewellyn准则获得了其绝对稳定性条件;同时,为了补偿由车轮滑动现象带来的速度指令跟踪误差,在从端星球车提出了速度指令局部自主补偿算法。为了协调各个车轮滑动参数相异产生的内力,本文在对星球车滑转沉陷机理分析的基础,提出了以PE-TE为优化指标的算法来协调各轮滑转率;并构建规划滑转率跟踪控制算法,利用神经网络逼近星球车动力学系统中参数未知的非线性函数,通过Lyapunov方法证明了所设计控制算法的系统稳定性。为了验证提出的上述控制算法,本文通过搭建星球车原理样机的电控系统,结合Falcon操作手柄和运动捕捉系统,并采用沙土模拟松软星壤,进而利用星球车原理样机对本文所提出的上述控制算法进行了实验验证。实验结果表明,采用本文提出的星球车运动学指令分解方法能够很好地将车体的指令分解到每个车轮驱动电机及转向电机的控制指令;采用基于前馈型神经网络和最优控制的轨迹跟踪算法能够消除车轮纵向/侧向滑动的干扰,实现较高精度的轨迹跟踪;采用半自主遥操作控制算法及滑转率协调控制算法,星球车车体速度能够很好地跟上操作手柄的控制指令,同时具有较好地操作性能。本文的研究成果为松软地形下的星球车运动跟踪控制问题提供了研究基础及方案,为我国后续的星球车探测任务提供了技术参考。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V476;V448.2
【图文】：

月球车

第 1 章绪论星球车研究现状早开始研究月球车及行星探测的国家主要是美国和苏联，历史上测车是 Lunokhod1，由苏联研制[6]，而后 Lunokhod2 在其基础上提升了运动速度及摄像性能，于 1973 年在月面澄海东部降落[7]。国在 1971 年起，先后在阿波罗 15 号，16 号和 17 号任务中携带车 Apollo LRV[8-10]展开相关的月球探测任务。

月球车

月球车,行星探测,澄海

1 星球车研究现状最早开始研究月球车及行星探测的国家主要是美国和苏联，历史上第探测车是 Lunokhod1，由苏联研制[6]，而后 Lunokhod2 在其基础上进并提升了运动速度及摄像性能，于 1973 年在月面澄海东部降落[7]。美国在 1971 年起，先后在阿波罗 15 号，16 号和 17 号任务中携带有球车 Apollo LRV[8-10]展开相关的月球探测任务。图 1-1 Lunokhod1 月球车[6]图 1-2 Lunokhod2 月球车[7]Fig.1-1 Lunokhod1 lunar rover[6]Fig.1-2 Lunokhod2 lunar rover[

【参考文献】