八輪被動(dòng)關(guān)節(jié)式月球車及其軌跡規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、被動(dòng)關(guān)節(jié)式星球探測車由于其自身機(jī)構(gòu)簡單且具有良好的被動(dòng)適應(yīng)地形能力及崎嶇地形運(yùn)動(dòng)性能，已成功應(yīng)用于星球探測中并表現(xiàn)出了優(yōu)異的移動(dòng)性能，受到各國相關(guān)機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研究，使該類構(gòu)型被廣泛的拓展衍生。隨著我國探月工程項(xiàng)目的啟動(dòng)，開發(fā)一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)、性能良好的月球車，并對其相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究具有深遠(yuǎn)的科技和政治意義。
　　作為一種技術(shù)的繼承和發(fā)展，本文提出了一種新型被動(dòng)關(guān)節(jié)式構(gòu)型的八輪月球車，該月球車移動(dòng)子系統(tǒng)以被動(dòng)連桿關(guān)節(jié)式懸架為基

2、礎(chǔ)，結(jié)合連桿機(jī)構(gòu)，采用懸架對稱結(jié)構(gòu)，并在連桿懸架間采用扭桿彈簧作為減振和重力重新分配調(diào)節(jié)裝置。該新構(gòu)型在盡量減少懸架質(zhì)量的前提下提高了探測車的越障能力和地形適應(yīng)能力，減少了移動(dòng)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向的差異性。利用月球車懸架設(shè)計(jì)的一般性方法確定了懸架的基本構(gòu)型尺寸，并對扭桿彈簧在月球車懸架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用作了詳細(xì)的分析，對其減振性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過仿真和實(shí)驗(yàn)表明該新型月球車構(gòu)型具有良好的地形適應(yīng)能力和運(yùn)動(dòng)性能。
　　作為未來星球探測發(fā)展的重

3、要備選構(gòu)型，其運(yùn)動(dòng)學(xué)的建立和分析至關(guān)重要，針對被動(dòng)關(guān)節(jié)式月球車機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，以新型八輪月球車為例，基于 D-H坐標(biāo)、平坦地形和三維地形的三種被動(dòng)關(guān)節(jié)式月球車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型被建立，并根據(jù)其不同特點(diǎn)，詳細(xì)分析了三種運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的應(yīng)用場合和適用條件，為被動(dòng)關(guān)節(jié)式月球車的控制和仿真做了基礎(chǔ)理論準(zhǔn)備；并且結(jié)合 D-H坐標(biāo)模型，推導(dǎo)了關(guān)節(jié)式月球車一般性運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，為關(guān)節(jié)式月球車的共性研究提供了一個(gè)參考模型。
　　為研究被動(dòng)關(guān)節(jié)月球車在崎嶇地形中的可通

4、過性以及為規(guī)劃仿真提供理論基礎(chǔ)和估計(jì)模型，提出了一種崎嶇地形中被動(dòng)關(guān)節(jié)式月球車運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)估計(jì)的數(shù)值求解方法。該方法以被動(dòng)關(guān)節(jié)式月球車為研究對象，融合關(guān)節(jié)機(jī)器人 D-H坐標(biāo)建模方法構(gòu)建月球車懸架位姿運(yùn)動(dòng)模型，和以側(cè)傾、俯仰和偏轉(zhuǎn)角表示姿態(tài)的歐拉角方式建立車輪到世界坐標(biāo)系的懸架完整表達(dá)模型。在此基礎(chǔ)上針對模型的高度非線性，利用帶有迭代因子的連續(xù)迭代和離散迭代數(shù)值方法建立求解算法。但由于月球車環(huán)境應(yīng)用的特殊性，通過改進(jìn)輪地接觸模型，又提出了一

5、種基于松軟崎嶇地形被動(dòng)關(guān)節(jié)式月球車運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)估計(jì)的方法，并以新型八輪月球車為例，通過仿真和實(shí)驗(yàn)表明建立的基于數(shù)值方法的崎嶇地形被動(dòng)關(guān)節(jié)式月球車姿態(tài)估計(jì)模型正確，其求解模型精度能夠滿足規(guī)劃和可通過性判別仿真要求。
　　針對月球表面地貌的復(fù)雜性和基于二維地形的軌跡規(guī)劃方法的局限性，提出了一種崎嶇地形中約束條件下的被動(dòng)關(guān)節(jié)式月球車軌跡規(guī)劃方法。該方法以崎嶇地形中被動(dòng)關(guān)節(jié)式月球車姿態(tài)估計(jì)數(shù)值方法為核心，利用參數(shù)化控制原理和數(shù)值求解方法，軌

6、跡規(guī)劃階段考慮地形崎嶇的影響，通過軌跡規(guī)劃步的求解中結(jié)合姿態(tài)估計(jì)算法來實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃階段對軌跡的補(bǔ)償，而不采用反饋實(shí)時(shí)修正規(guī)劃軌跡的偏差。仿真表明該方法可作為被動(dòng)關(guān)節(jié)式月球車在崎嶇地形中一種新的參數(shù)化連續(xù)軌跡生成方法。
　　月球環(huán)境往往存在很多月球車不可逾越的障礙，基于約束條件下的軌跡生成方法，提出了一種多障礙物環(huán)境下月球車軌跡生成方法。該方法通過對障礙物在連續(xù)空間的建模，并把其作為軌跡規(guī)劃的一個(gè)約束條件，通過數(shù)值方法對約束條件下軌

7、跡模型的求解來生成參數(shù)化軌跡。仿真表明該方法可作為多障礙物環(huán)境中月球車參數(shù)化軌跡規(guī)劃的一種新方法。
　　為了減少月球車在崎嶇地形中運(yùn)動(dòng)時(shí)被動(dòng)懸架間能耗，同時(shí)提高月球車在松軟地形中的運(yùn)動(dòng)性能，提出了一種基于輪地接觸角估計(jì)的崎嶇地形中被動(dòng)關(guān)節(jié)式月球車的多輪協(xié)調(diào)控制方法。該方法利用懸架與地形的幾何約束關(guān)系以及 D-H運(yùn)動(dòng)學(xué)方程中的特征性關(guān)系建立的崎嶇地形中輪地接觸角估計(jì)模型，利用速度匹配原則，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來協(xié)調(diào)控制月球車車輪。為了進(jìn)一