基于RTAI的多关节式月球车运动控制研究

摘要

根据多关节式月球车的机构特征和多电机独立驱动下多运动模式协调运动控制强实时性、高稳定可靠的要求，本文开展了基于RTAI（ Real-Time Application Interface，实时应用接口）的开放式月球车运动控制平台及其相关关键技术的研究，并对实时Linux下车轮的伺服特性和苛刻地形中基于RTAI的月球车协调运动关键实现方法展开了深入研究，为基于Linux的实时多任务运动控制平台在航天工程中的应用提供基础。
　　首先以多关节式六圆柱-圆锥轮式月球车为研究对象，根据此类月球车的机构特点，提出一种基于月面地形特征的非结构化地形分类法的多运动模式运动控制策略。将多关节式月球车的运动模式分为被动适应地形运动模式、轮步运动模式、主动越障运动模式及跨越壕沟运动模式。分析不同运动模式在复杂月面地形中运动的特点及多模式运动规划方法，并在此基础上建立了在月球车车体和运动关节的运动坐标系下极端复杂地形中月球车运动学模型，为多关节独立驱动月球车的实时协调控制技术奠定了基础。
　　以开源系统Linux为平台，通过所开发的软件完成运动控制的所有工作，为减小系统硬件的复杂性和提高系统的可靠性，构建一种基于RTAI，采用软运动控制方案构建的强实时运行平台。根据月球车控制系统和RTAI的特点，开发基于RTAI的开放式月球车系统平台。以线程合作模型为基础，用RTAI线程建立了月球车系统多任务结构模型。深入讨论了基于RTAI的月球车控制系统通信的实现方法，以指令中继转发的方式简化月球车系统的通信结构。最后以多关节式月球车为例，实现了基于RTAI操作系统平台的月球车控制系统，为基于RTAI的开放式实时平台在月球车控制系统中的应用提供了应用实例。
　　为进一步探求基于RTAI的实时运动控制平台的性能和实现方法的便捷性，提出了一种基于RTAI-Lab技术的实时控制系统设计方法，并以此作为开发运动控制算法的原型设计工具，减少系统设计周期和提高系统设计可靠性。为验证RTAI纯软件硬实时运动控制的实时性，研究了RTAI的实时延时性和抖动性对电机控制的影响。然后以多关节式月球车为研究对象，对月球车多轮独立驱动下的协调控制的实时RTAI模型进行了研究。着重研究了多关节多轮独立驱动月球车协调控制的实时RTAI实现技术。
　　针对月球车控制系统平台的要求，以实时多任务为目标，给出了通用性平台提高实时性的实现方法，主要对开源系统Linux下实时多任务平台的中断处理器和任务调度器的设计和实现方法等，并提出了基于驱动程序和软中断通信机制的两种实时通信方法，为基于实时操作系统的多任务开放式平台的实现提供理论依据。
　　构建基于RTAI的多关节六圆柱-圆锥轮式月球车运动控制实验平台，对月球车在被动适应地形的运动模式、轮步运动模式、主动越障模式及跨越壕沟运动模式下，基于RTAI的运动控制平台及普通Linux下的运动控制平台的耗时和运动精度进行测试，验证基于RTAI的多关节式月球车运动控制的正确性。结果表明，与普通 Linux下多关节式月球车运动控制平台相比，基于RTAI的月球车控制平台耗时得到了较大幅度的较少，且运动精度更高。

目录

基于RTAI的多关节式月球车运动控制研究

RESEARCH ON MOTION CONTROL OF MULTIJOINTEDLUNAR ROVER BASED ON RTAI

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 课题来源及研究的目的和意义

1.2.1 课题来源

1.2.2 研究目的和意义

1.3 月球车运动控制的研究现状及分析

1.3.1 月球车移动系统结构

1.3.2 月球车控制技术

1.3.3 实时操作系统平台

1.4 本文的主要研究内容

第2章 多关节式月球车的运动模式分析和建模研究

2.1 引言

2.2 月面环境非结构化地形分类

2.2.1 月面环境

2.2.2 月面地形分类

2.3 基于地形分类的多运动模式通过性分析

2.3.1 多关节式六圆柱-圆锥轮月球车的结构

2.3.2 多种运动模式下的通过性分析

2.3.3 月球车运动模式的选择策略

2.4 多运动模式运动学模型

2.4.1 车体运动坐标系的建立和车体运动变换链

2.4.2 被动模式运动建模

2.4.3 轮步模式运动建模

2.4.4 主动越障模式运动建模

2.5 本章小结

第3章 基于RTAI 的月球车实时运动控制系统

3.1 引言

3.2 基于RTAI 的月球车运动控制系统搭建

3.2.1 月球车运动控制系统的结构

3.2.2 运动控制系统的软件构建

3.3 基于RTAI 的月球车运动控制系统核心实时模块的实现

3.3.1 基本线程的合作结构

3.3.2 月球车运动控制系统线程模型

3.4 RTAI 下的月球车运动控制系统间通信方法研究

3.4.1 实时域与非实时域中的指令通信

3.4.2 平台中共享内存通信

3.5 基于RTAI 的多关节式月球车运动控制系统实现

3.6 本章小结

第4章 基于RTAI 的月球车多轮运动控制方法研究

4.1 引言

4.2 基于RTAI 的运动伺服控制技术

4.2.1 运动控制实时性

4.2.2 基于RTAI-Lab 的电机伺服控制原型设计方法

4.3 RTAI 下的多模式运动协调控制技术研究

4.3.1 多层模式的多轮协调运动控制构架

4.3.2 轮步模糊协调运动控制

4.4 本章小结

第5章 基于Linux 的月球车控制平台实时化技术

5.1 引言

5.2 月球车控制系统对实时平台的要求

5.2.1 实时系统

5.2.2 控制系统对实时平台的要求

5.3 运动控制系统实时平台实现的关键技术研究

5.3.1 Linux 系统实时性特点

5.3.2 实时平台的内核结构

5.3.3 中断处理器

5.3.4 任务调度器

5.3.5 实时通信

5.4 本章小结

第6章 月球车运动控制的实验研究

6.1 引言

6.2 多关节式月球车样机运动控制实验平台构建

6.2.1 控制系统平台的安装配置

6.2.2 平台控制系统远程调试

6.2.3 通讯系统构建

6.2.4 地面遥操作系统搭建

6.2.5 平台系统实时性能测试

6.3 基于RTAI 的月球车运动控制性能实验

6.3.1 被动模式运动实验

6.3.2 轮步模式运动实验

6.3.3 主动越障模式运动实验

6.3.4 跨越壕沟模式运动实验

6.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历