六輪非對(duì)稱月球車運(yùn)動(dòng)控制方法及參數(shù)辨識(shí)研究.pdf

1、月球車是月面探測(cè)的先行者，主要完成對(duì)月面環(huán)境的探測(cè)、考察和樣品的收集與分析等任務(wù)。其合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)控制是保證完成月球探測(cè)任務(wù)的關(guān)鍵。計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊及自動(dòng)控制技術(shù)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(shù)核心的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)已成為月球車技術(shù)研發(fā)的焦點(diǎn)。本文提出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的差速六輪不對(duì)稱結(jié)構(gòu)月球車新構(gòu)型，對(duì)該構(gòu)型月球車運(yùn)動(dòng)控制中的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、軌跡跟蹤、驅(qū)動(dòng)控制、以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)辨識(shí)技術(shù)進(jìn)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(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種六輪不對(duì)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(diǎn)的兩類運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。該月球車六個(gè)車輪非對(duì)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(duì)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(dòng)控制方式，在車輪發(fā)生打滑時(shí)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(duì)該月球車特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用多體系統(tǒng)

3、運(yùn)動(dòng)學(xué)原理結(jié)合坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，建立了基于崎嶇地形的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并通過Matlab仿真驗(yàn)證了該模型的正確性；同時(shí)，在分析月球車平面運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了平坦地形的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并對(duì)車輪滑移(縱向滑移和側(cè)向滑移)現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
　　針對(duì)月球車運(yùn)動(dòng)學(xué)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(shè)計(jì)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(duì)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(dòng)模態(tài)存

4、在并穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，采用后退方法的思想，設(shè)計(jì)了具有全局漸進(jìn)穩(wěn)定的滑模變結(jié)構(gòu)軌跡跟蹤控制律。對(duì)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為受擾的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)，通過定義一個(gè)新的時(shí)變滑模面，設(shè)計(jì)了滿足Lyapunov穩(wěn)定、有限時(shí)間收斂的滑模變結(jié)構(gòu)控制律。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明兩種控制律有效可行，實(shí)現(xiàn)了月球車的軌跡跟蹤控制。
　　為解決月球車在復(fù)雜月面環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)控制問題，提出了一種基于改進(jìn)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(duì)傳統(tǒng)遺傳算法中的種群多樣化和適應(yīng)度標(biāo)定兩方面考慮，通過分別定義相似度 R和適應(yīng)度標(biāo)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?；诖?，提出了一種通過改進(jìn)遺傳算法對(duì)PID滑模面參數(shù)進(jìn)行整定的滑?？刂破?，解決了月球車驅(qū)動(dòng)控制中由于月面的外部擾動(dòng)而引起的不確定性控制問題，仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法穩(wěn)定可行。
　　為了在月面復(fù)雜的輪-地相互作用和運(yùn)動(dòng)學(xué)限制

6、條件下，實(shí)時(shí)地估計(jì)輪-地接觸角和滑移量，保證月球車精確的引導(dǎo)和安全的行走，提出了一種基于離散Kalman Filter構(gòu)造觀測(cè)器在線識(shí)別滑移量和輪-地接觸角的新方法。該方法在對(duì)月球車視覺導(dǎo)航數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，將驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)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(yùn)動(dòng)學(xué)方程。通過將實(shí)時(shí)測(cè)量的月球車運(yùn)動(dòng)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(shù)在線識(shí)別了滑移量和接

7、觸角。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法提高了控制精度，可保證月球車準(zhǔn)確、安全的行走。
　　開發(fā)了六輪不對(duì)稱月球車的運(yùn)動(dòng)控制硬件平臺(tái)和地面試驗(yàn)系統(tǒng)的軟件測(cè)試程序。針對(duì)本實(shí)驗(yàn)樣車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了過溝、越障、爬坡和輪-腿折疊等基本運(yùn)動(dòng)性能的測(cè)試。針對(duì)月球車行進(jìn)過程中出現(xiàn)的車輪滑移，完成了參數(shù)辨識(shí)滑移補(bǔ)償多輪協(xié)調(diào)軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)，滑移問題得到較好的控制。針對(duì)月球車爬坡過程的牽引力不足問題，完成了牽引力實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)及自主恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，預(yù)測(cè)結(jié)果可作為驅(qū)動(dòng)控制