基于虛擬現(xiàn)實(shí)的月球車運(yùn)動(dòng)規(guī)劃.pdf

1、自上世紀(jì)90年代以來，包括中國在內(nèi)的各空間大國相繼提出以建立月球基地為主體的“重返月球”計(jì)劃。月球環(huán)境具有高真空、微重力、高溫差、強(qiáng)輻射等特點(diǎn)，因此月球探測(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜、危險(xiǎn)的工作。使用機(jī)器人（或稱之為月球車），代替宇航員在月球地面上做實(shí)際勘測(cè)能夠有效地降低風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)工作時(shí)間，降低探測(cè)成本。在我國的月球探測(cè)計(jì)劃中，月球車將會(huì)承擔(dān)重要任務(wù)。
　　虛擬現(xiàn)實(shí)是指由計(jì)算機(jī)生成的、模擬人類感覺的世界的實(shí)時(shí)表示。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和機(jī)器人學(xué)相結(jié)合是

2、一條研究、設(shè)計(jì)機(jī)器人的行之有效的途徑。本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)月球車運(yùn)動(dòng)規(guī)劃相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：月球車實(shí)體建模、月表數(shù)字地形建模、月球車運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及路徑規(guī)劃等。
　　本文利用虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于搖臂-轉(zhuǎn)向架式的八輪月球車仿真系統(tǒng)。月球車的實(shí)體建模是研究月球車虛擬樣機(jī)的基礎(chǔ)，本文結(jié)合構(gòu)造實(shí)體幾何法和物理建模技術(shù)建立了外觀真實(shí)并且適于運(yùn)動(dòng)控制的月球車三維實(shí)體模型。
　　為了真實(shí)地模擬月球車在月球環(huán)境中

3、的運(yùn)動(dòng)特性，必須考慮月球的地形特征。地形可以看做一種隨機(jī)統(tǒng)計(jì)過程，分?jǐn)?shù)維布朗運(yùn)動(dòng)是迄今為止能夠描述真實(shí)地形的最好的隨機(jī)過程，分形地景建模是對(duì)應(yīng)于分?jǐn)?shù)維布朗運(yùn)動(dòng)的地形建模方法，中點(diǎn)位移法是其中最為常用的一種，但中點(diǎn)位移法不能兼顧整個(gè)地形的相關(guān)性。為此，本文提出了一個(gè)盲人住宿模型。利用該模型生成的地形相比中點(diǎn)位移法而言，能有效地兼顧整個(gè)地形的相關(guān)性。
　　月球車在行駛過程中，不可避免地要進(jìn)行諸如爬坡、轉(zhuǎn)向等復(fù)雜動(dòng)作，這就要求月球車必須

4、具備非常高的靈活性。而高度的靈活性則對(duì)月球車的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模提出很大挑戰(zhàn)。本文依照月球車關(guān)節(jié)聯(lián)接關(guān)系建立了月球車坐標(biāo)系，通過構(gòu)造法建立的車輪雅可比矩陣對(duì)月球車運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行了推導(dǎo)，該方法避免了求導(dǎo)運(yùn)算，簡(jiǎn)化了雅可比矩陣的求解步驟；將遞歸動(dòng)力學(xué)與力矩優(yōu)化控制結(jié)合，提出了一種月球車運(yùn)動(dòng)控制算法，該算法使我們能夠有效地處理如關(guān)節(jié)位置限制和力矩限制等約束；對(duì)月球車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性與控制方案進(jìn)行了研究，以四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，推導(dǎo)了月球車多輪

5、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，并對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究。
　　月球車行駛在虛擬環(huán)境中崎嶇的地形表面，構(gòu)成車輪的多面體模型將會(huì)不斷地和構(gòu)成地形模型的表面相交——碰撞。本文利用碰撞檢測(cè)研究月球車在虛擬環(huán)境中的輪-地相互作用機(jī)制。碰撞檢測(cè)問題是虛擬環(huán)境生成速度的一個(gè)瓶頸。針對(duì)月球車的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出了一種基于碰撞檢測(cè)定位車輪位置的算法。該方法簡(jiǎn)單有效，只用到簡(jiǎn)單的線、面間的交叉測(cè)試即可定位仿真圖像中車輪中心位置。
　　月球車的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃既要