六輪非對稱月球車運動控制方法及參數(shù)辨識研究.pdf

1、月球車是月面探測的先行者，主要完成對月面環(huán)境的探測、考察和樣品的收集與分析等任務。其合理的機構(gòu)設計和優(yōu)良的運動控制是保證完成月球探測任務的關鍵。計算機技術、通訊及自動控制技術的發(fā)展為月球車的開發(fā)和研究提供了更廣闊的發(fā)展空間，而作為技術核心的運動控制技術已成為月球車技術研發(fā)的焦點。本文提出了具有自主知識產(chǎn)權的差速六輪不對稱結(jié)構(gòu)月球車新構(gòu)型，對該構(gòu)型月球車運動控制中的運動學建模、軌跡跟蹤、驅(qū)動控制、以及運動參數(shù)辨識技術進行了深入的研究。

2、r>　　在分析和比較現(xiàn)有月球車(行星車)結(jié)構(gòu)特點的基礎上，提出了一種六輪不對稱的超靜定月球車新構(gòu)型，建立了基于崎嶇和平坦地形特點的兩類運動學模型。該月球車六個車輪非對稱分布于車體兩側(cè)，搖臂通過扭簧和車體相連，并可自由抬起。車輪的非對稱分布有利于月球車越過大于車輪直徑的直壁溝壑和攀爬高度大于車輪半徑的障礙物。搖臂采用主動控制方式，在車輪發(fā)生打滑時仍可為車體提供牽引力，提高了月球車崎嶇地形的可通過性。針對該月球車特殊的結(jié)構(gòu)特點，運用多體系統(tǒng)

3、運動學原理結(jié)合坐標轉(zhuǎn)換，建立了基于崎嶇地形的運動學模型，并通過Matlab仿真驗證了該模型的正確性；同時，在分析月球車平面運動特點的基礎上，建立了平坦地形的運動學模型，并對車輪滑移(縱向滑移和側(cè)向滑移)現(xiàn)象進行了詳細的分析。
　　針對月球車運動學模型滿足非完整約束和不滿足非完整約束的控制問題，分別設計了兩種基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的月球車軌跡跟蹤控制律。對于滿足非完整約束且不考慮車輪滑移的控制問題，通過合理選擇切換函數(shù)，在保證滑動模態(tài)存

4、在并穩(wěn)定的基礎上，采用后退方法的思想，設計了具有全局漸進穩(wěn)定的滑模變結(jié)構(gòu)軌跡跟蹤控制律。對不滿足非完整約束并考慮滑移的軌跡跟蹤控制問題，利用微分同胚原理，將月球車運動學模型轉(zhuǎn)化為受擾的鏈式系統(tǒng)，通過定義一個新的時變滑模面，設計了滿足Lyapunov穩(wěn)定、有限時間收斂的滑模變結(jié)構(gòu)控制律。理論分析和仿真實驗表明兩種控制律有效可行，實現(xiàn)了月球車的軌跡跟蹤控制。
　　為解決月球車在復雜月面環(huán)境下的驅(qū)動控制問題，提出了一種基于改進遺傳算法整

5、定PID滑模面參數(shù)的變結(jié)構(gòu)控制算法。基于對傳統(tǒng)遺傳算法中的種群多樣化和適應度標定兩方面考慮，通過分別定義相似度 R和適應度標定函數(shù)的方法，來增加種群多樣性和防止局部最優(yōu)，有效地提高了遺傳算法的全局穩(wěn)定性和優(yōu)化速度。基于此，提出了一種通過改進遺傳算法對PID滑模面參數(shù)進行整定的滑?？刂破?，解決了月球車驅(qū)動控制中由于月面的外部擾動而引起的不確定性控制問題，仿真和實驗驗證了該方法穩(wěn)定可行。
　　為了在月面復雜的輪-地相互作用和運動學限制

6、條件下，實時地估計輪-地接觸角和滑移量，保證月球車精確的引導和安全的行走，提出了一種基于離散Kalman Filter構(gòu)造觀測器在線識別滑移量和輪-地接觸角的新方法。該方法在對月球車視覺導航數(shù)學模型進行分析的基礎上，將驅(qū)動和導航整合構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，考慮月球車的滑移并引入輪-地接觸角變量，建立了帶有滑移和接觸角的運動學方程。通過將實時測量的月球車運動過程質(zhì)心的數(shù)據(jù)帶入方程中，借助離散化的Kalman Filter遞推技術在線識別了滑移量和接

7、觸角。仿真和實驗結(jié)果表明，該方法提高了控制精度，可保證月球車準確、安全的行走。
　　開發(fā)了六輪不對稱月球車的運動控制硬件平臺和地面試驗系統(tǒng)的軟件測試程序。針對本實驗樣車的結(jié)構(gòu)特點，進行了過溝、越障、爬坡和輪-腿折疊等基本運動性能的測試。針對月球車行進過程中出現(xiàn)的車輪滑移，完成了參數(shù)辨識滑移補償多輪協(xié)調(diào)軌跡跟蹤實驗，滑移問題得到較好的控制。針對月球車爬坡過程的牽引力不足問題，完成了牽引力實時預測及自主恢復實驗，預測結(jié)果可作為驅(qū)動控制