六輪搖臂式月球車運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制模式研究.pdf

1、隨著航天技術(shù)的發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，探月計(jì)劃已被納入日程。月球表面地形復(fù)雜、未知，加之月球車所攜帶的能源有限，因此，降低月球車行駛的能耗性，充分利用有限的能源，是保證探月任務(wù)順利完成的關(guān)鍵。
　　為消除六輪搖臂式月球車行進(jìn)過程中的寄生功率損失，從而降低能耗，提出了運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制模式。運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型是從寄生功率產(chǎn)生原因入手，以月球車姿態(tài)角為狀態(tài)變量，以電機(jī)轉(zhuǎn)速為規(guī)劃變量，電機(jī)轉(zhuǎn)矩等為中間變量，以六輪瞬時(shí)功率之和為目標(biāo)函數(shù)，以滿足

2、速度投影定理的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、準(zhǔn)靜態(tài)平衡力學(xué)模型、驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率、地面驅(qū)動(dòng)力系數(shù)、電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)力等為約束條件的有約束最優(yōu)化模型。在對規(guī)劃模型進(jìn)行整理后，基于Kuhn-Tucker條件求解規(guī)劃模型，并將最優(yōu)解作為依據(jù)控制月球車行進(jìn)。仿真表明，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制模式可以有效減少寄生功率損失，降低能耗。
　　根據(jù)搖臂式懸架的被動(dòng)適應(yīng)地形特性，提出了根據(jù)地形信息計(jì)算月球車姿態(tài)角的模型，結(jié)合運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制模式進(jìn)一步計(jì)算運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制參數(shù)，最終計(jì)算通過路

3、徑所需能量。在此基礎(chǔ)上，在分析了現(xiàn)有路徑規(guī)劃系統(tǒng)的片面性和局限性后，提出了以通過路徑所需能量、所需時(shí)間、路徑起伏狀況、路徑長度等為屬性的路徑多屬性決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TOPSIS法，從若干條可通行路徑中決策出最優(yōu)路徑。仿真表明，路徑多屬性決策系統(tǒng)所優(yōu)選出的最優(yōu)路徑，兼顧低能耗性、快速性、平穩(wěn)性等要求。
　　作為路徑多屬性決策系統(tǒng)的拓展，提出了月球車群的路徑多目標(biāo)優(yōu)選動(dòng)態(tài)規(guī)劃系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對由兩輪并列式探路月球車和六輪搖臂式主月球車

4、組成的月球車群，提出了“探路月球車往復(fù)式前進(jìn)，主月球車路徑多目標(biāo)優(yōu)選動(dòng)態(tài)規(guī)劃”的月球車群路徑?jīng)Q策方式。仿真表明，雖然路徑多目標(biāo)優(yōu)選動(dòng)態(tài)規(guī)劃系統(tǒng)消耗更多的時(shí)間，但是降低了能耗。
　　為避免由于模型不準(zhǔn)確所產(chǎn)生的誤差，降低控制系統(tǒng)對視覺系統(tǒng)的依賴，提出了結(jié)合運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制模式的馬爾可夫預(yù)測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對月球表面地形分布所具有的馬爾可夫性和月球車搖臂式懸架的被動(dòng)適應(yīng)地形特性，通過采用馬爾可夫預(yù)測方法預(yù)測下一狀態(tài)的地形信息，預(yù)測下一狀

5、態(tài)的月球車姿態(tài)角，從而預(yù)測下一狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制參數(shù)。仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)的正確性。由于該系統(tǒng)是針對研究對象特性所選用的方法，從而避免了常規(guī)預(yù)測方法的通用模型，減少了計(jì)算量。
　　為確定運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制模式在實(shí)際應(yīng)用中的控制效果，充分驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略的有效性，進(jìn)行了原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以現(xiàn)有的六輪搖臂式月球車原理樣機(jī)為本體，構(gòu)建了由上位機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、電源模塊等組成的硬件系統(tǒng)，編寫了由控制策略算法程序、傳感器數(shù)據(jù)

6、讀取程序、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊控制程序等組成的軟件系統(tǒng)，最終構(gòu)成原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺。將相同驅(qū)動(dòng)參數(shù)控制下和協(xié)調(diào)控制策略控制下月球車的能耗作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過十條隨機(jī)路徑上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表明，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制模式可有效降低能耗，最高為5.4％，最低為0.6%。通過分析可能的誤差原因，提出了實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)措施。
　　針對理論研究和實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，提出了若干條可以改進(jìn)和深入研究的方向，其中包括運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略在其他搖臂式月球車中的應(yīng)用、硬質(zhì)地面假設(shè)條