四轮月球车的运动控制和路径跟踪研究

摘要

月球车在月球表面运动过程中存在侧滑、打滑、转向滑移，通常条件下的运动控制和路径跟踪算法已经不再适用。要解决以上问题，需要建立包含滑移的运动学模型和具有滑移补偿的路径跟踪算法，并且通过建立一个稳定且精确的运动控制系统来保证月球车能按照所建的模型和算法行驶。
　　本文首先利用工业机器人D-H方法建立四轮月球车在滑移条件下的正、逆运动学模型，该运动学模型可以很好的反映出月球车在崎岖地形中的位姿以及车体与车轮之间的速度关系，为四轮月球车的运动控制奠定了理论基础。
　　由于月球车在实际行驶过程中存在各种滑移，导致其行驶路径偏差，为了有效的提高月球车在滑移路况中的路径跟踪精度。本文提出一种具有滑移补偿功能的路径跟踪算法。该算法基于受非完整约束情况下的运动学模型，利用前车轮进行路经跟踪，后车轮补偿滑移误差的控制策略，通过实时测量和估计车体质心和路径参考点之间的距离、航向误差和车体滑移角，结合一种非线性控制率，减小位置和航向误差。通过理论证明该算法理论上能有效地补偿月球车由于侧滑及车轮的打滑和转向滑移引起的路径误差。
　　为验证路径跟踪算法的有效性，利用MATLAB和ADAMS联合仿真技术来构建路径跟踪仿真方法。该方法通过ADAMS建立四轮月球车的仿真模型以及驱动和位置等测量模型，通过MATLAB/Simulink和ADAMS/Controls的接口将控制策略和四轮月球车仿真模型连接起来，建立反馈闭环控制回路，实现数据的共享和互传。仿真结果表明：所提出的基于MATLAB和ADAMS联合技术的路径跟踪仿真方法具有灵活性大、控制策略和仿真参数易于修改等优点。
　　为验证控制算法和控制系统的正确性，构建四轮月球车原理样机的软硬件运动控制系统。该系统以NI7350运动控制卡、传感器和maxon电机伺服放大器等为硬件平台，并基于TCP/IP通讯的遥操作控制平台，利用Client/Server模式，用VC++编写了四轮月球车远程操控端程序和车载控制系统程序。通过对四轮月球车越障、爬坡，带半径转弯和原地转弯等各种基本运动控制，表明该运动控制系统和运动学模型的正确性和有效性。并且通过斜坡路径跟踪实验表明，本文提出的具有滑移补偿的路径跟踪算法能够有效的减少跟踪误差，提高路径跟踪精度。

目录

四轮月球车的运动控制和路径跟踪研究

RESEARCH ON MOTION CONTROL AND PATHFOLLOWING OF FOUR-WHEELED LUNAR ROVER

摘 要

Abstract

目 录

第1 章 绪 论

1.1 课题背景、来源及其研究的目的和意义

1.2 国内外月球车运动控制和路径跟踪的研究现状

1.3 课题研究的主要内容

第2 章 四轮月球车的运动学分析

2.1 引言

2.2 四轮月球车的正运动学模型

2.3 四轮月球车的逆运动学模型

2.4 受非完整约束情况下的运动学模型

2.5 本章小结

第3 章 四轮月球车路径跟踪研究及其联合仿真

3.1 四轮月球车的路径跟踪算法

3.2 ADAMS 和MATLAB 联合仿真

3.3 四轮月球车路径跟踪仿真结果

3.4 本章小结

第4 章 控制系统硬软件设计及其调试和实验

4.1 四轮月球车控制系统的硬件设计

4.2 四轮月球车控制系统的软件设计及程序编制

4.3 四轮月球车控制系统调试

4.4 四轮月球车沙地行走实验

4.5 四轮月球车路径跟踪实验

4.6 本章小结

结 论

参考文献

附 录

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

致 谢