非完整轮式月球车运动规划与控制研究

摘要

在不确定的非结构化的月面环境下，月球车的自主运动规划是月球车巡游任务的重要环节之一。本论文的研究内容是考虑月球车运动约束和轨迹优化前提下，在不确定的环境中完成月球车的自主运动规划与控制问题。论文工作按运动规划与控制问题的以下两个方面展开：其一是在给定全局地形图的运动规划，特点是全局的粗略地形已知，规划结果更倾向于得到连接初始与目标点的路径的连通性，系统模型多以运动学模型为主；其二是在全局路径规划的成果下，侧重于根据局部环境的多变性进行实时的局部运动规划与控制，较多地考虑月球车运动约束对规划方法的效率和可靠性的影响。
　　 本文的研究内容主要包含下面几个方面：
　　 首先，用机器学习的方法实现全局环境的月球车运动规划。基于静态全局环境的避障学习方法生成的路径适应能力较差，当环境发生改变或目标点发生变化时要重复学习过程，为此，提出了一种基于相对位姿空间的避障学习方法，根据月球车与环境特征的相对位置作为学习状态进行避障学习，提高了学习结果对环境变化的适应能力。
　　 其次，用模型预测控制方法实现月球车的局部规划与镇定控制。运动规划任务根据环境变化而采取动态更新的策略，根据障碍与月球车的相对方位设定期望的子目标点平面坐标；离线计算月球车的无限时域运动代价，然后通过求解最小化离线代价的车体方向角作为期望的子目标点方向角。此部分研究内容侧重于局部环境的运动规划控制。
　　 再次，分析了参数不确定情况下月球车的鲁棒运动规划问题。将具有终端状态不等式约束和终端状态惩罚项的非线性预测控制应用到月球车运动控制中。将考虑模型参数不确定性的渐进稳定椭圆集作为预测控制问题的终端稳定约束，该终端状态不等式约束要求系统终端状态进入一个椭圆区域；把平衡点局部区域的非线性系统看作参数时变多面体不确定线性系统，然后用线性矩阵不等式方法分析了月球车能够沿障碍物行驶的控制的保守性存在条件。
　　 然后，基于月球车原理样车的动力学模型实现了其局部预测运动控制。选择六个车轮的驱动力矩和转向力矩为控制量，合理协调六个车轮的方向控制，在不改变车体运动约束的前提下将六个非完整约束减少为两个。建立了车体与车轮的平面动能，与简化后的两个约束联立建立了车体的平面Maggi力学方程，最后实现了原理车的预测运动控制。
　　 最后，研究了基于原理样车动力学模型的快速控制计算方法。首先用局部线性化模型代替力学模型进行滚动优化控制，然后采用C/GMRES(Continuation/Generalized Minimum Residual)计算方法降低计算量并解决系统的状态存储问题；最后，通过重新定义系统输入降低动力学模型的维数，并基于简化的动力学模型实现月球车巡游中的最短路径控制。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题来源与意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题的研究意义

1.2 轮式移动机器人运动规划与控制研究现状

1.2.1 移动机器人的环境建模方法

1.2.2 移动机器人运动规划现状

1.2.3 移动机器人运动控制现状

1.3 月球车运动规划与控制问题研究现状

1.3.1 月球车运动规划方法

1.3.2 月球车运动控制方法

1.3.3 现有运动规划方法存在的问题

1.4 文章内容及章节安排

第2章 基于Q学习的轮式月球车全局运动规划

2.1 引言

2.2 强化学习方法的构成要素

2.2.1 马尔可夫决策过程

2.2.2 评价函数的定义

2.2.3 动作搜索策略的选择

2.3 基于静态月表环境的月球车运动学习

2.3.1 无约束月球车的状态空间及回报函数定义

2.3.2 考虑运动约束的月球车状态空间定义

2.4 基于相对位姿空间的月球车运动学习

2.4.1 月球车相对位姿的离教状态定义

2.4.2 相对位姿空间中可行动作的选择

2.4.3 运动规划学习过程的回报函数设计

2.4.4 月球车运动学习过程设计

2.5 运动策略学习及结果分析

2.6 本章小结

第3章 基于模型预测的月球车局部运动控制

3.1 引言

3.2 非线性系统的预测控制

3.2.1 非线性预测控制算法的研究

3.2.2 非线性预测控制稳定性的研究

3.3 月球车运动规划的模型预测方法

3.4 月球车局部运动规划的预测控制策略

3.4.1 双模模型预测控制

3.4.2 子目标点平面坐标确定

3.4.3 子目标点航向角的确定

3.5 月球车局部滚动避障仿真

3.6 本章小结

第4章 基于线性矩阵不等式的月球车鲁棒预测控制

4.1 引言

4.2 非线性模型预测控制的鲁棒性研究

4.3 非线性模型预测控制的LMI方法

4.3.1 线性不等式稳定性条件

4.3.2 非线性预测控制的LMI表示方法

4.3.3 多面体不确定系统的LMI稳定条件

4.4 月球车局部子目标点的稳定性

4.5 参数不确定模型吸引域估计

4.6 鲁棒运动控制仿真

4.7 本章小结

第5章 月球车原理样车的动力学模型与运动控制

5.1 引言

5.2 月球车原理样车的结构

5.3 月球车原理样车的动力学模型

5.3.1 原理样车的简化运动约束

5.3.2 原理样车的平面动能

5.3.3 原理样车的Maggi力学方程

5.4 月球车原理样车的运动性能

5.5 基于月球车动力学模型的预测控制

5.6 本章小结

第6章 基于动力学模型的原理车快速运动控制

6.1 引言

6.2 提高预测控制速度的方法

6.2.1 直接提高优化速率的非线性预测算法

6.2.2 减少优化变量维数及快速计算策略

6.3 原理车动力学模型的降维方法

6.4 原理车预测控制的快速计算方法

6.4.1 运动规划中的两点边值问题

6.4.2 基于C/GMRES算法的原理车在线预测控制

6.5 原理样车的鲁棒运动控制

6.6 本章小结

结束语

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢