一种基于滑转率调节的轮式月球车驱动控制方法

摘要

本发明公开了一种基于滑转率调节的轮式月球车驱动控制方法，包括以下步骤：工况选择以及控制目标确定；车轮滑转率估计；月球车系统模型的建立；车轮分配力矩Ti的计算。本发明将月球车行驶工况分为两种：一种为车体加速或减速工况，将车轮的滑转率控制在驱动效率较高的范围内，可保证车轮较高的驱动效率；一种为车体匀速行驶工况，以各个车轮滑转率的平均值为控制目标，可避免控制目标单一，单轮滑转率过高或过低引起的能耗增加，通过性变差等问题。采用滑模变结构控制算法，求解简单，计算量小，保证了系统具有良好的鲁棒性，使月球车在崎岖环境下的运动更加协调。

说明书

技术领域

本发明属于航天技术领域，涉及到一种以提高摇臂-转向架轮式月球车在崎 岖环境下可通过性为目标的滑模变结构控制方法，特别涉及到一种基于滑转率调 节的轮式月球车驱动控制方法。

背景技术

月球车驱动控制技术是移动机器人运动控制的实现环节，也是月球车实现 自主行走的关键技术之一，其技术要点是如何对各车轮驱动力进行合理分配， 以使崎岖月表上行驶的月球车轮与轮之间的运动状态相匹配，避免各轮驱动力 分配不合理引起的打滑与下陷，从而减小月球车的能量损耗和机械磨损，提高 其通过性和使用寿命。尽管月球车的驱动力调节和控制已被高度关注，但有关 控制算法的研究较少，现有控制方法的局限性在于：通过优化特定约束条件来 对车轮的驱动力矩进行分配的方法，约束求最优解的过程非常复杂，计算量大； 对月球车的启动加速过程进行控制的方法，仅将滑转率控制在一个期望值，并 没有对月球车行驶过程进行控制；采用PI控制算法设计的PI控制器较简单，控 制目标单一。

发明内容

针对现有控制方法求解复杂、计算量大，仅将滑转率控制在一个固定的期 望值，没有对月球车的行驶过程进行控制，控制目标单一等问题，本发明要提 出一种基于滑转率调节的轮式月球车驱动控制方法，按照月球车加速或减速行 驶和匀速行驶两种工况，对月球车各个车轮的力矩进行分配控制，即：当月球 车处于加速或减速工况时，将各车轮滑转率控制在各轮驱动效率最佳的区间内； 当月球车处于匀速行驶工况时，以车轮平均滑转率为控制目标；并且求解简单、 计算量小。

本发明的技术方案是：

一种基于滑转率调节的轮式月球车驱动控制方法，所述的驱动控制系统包 括工况选择模块、滑转率估计模块、滑模变结构控制模块、PID速度控制模块以 及月球车系统，所述的月球车系统通过动力学和运动学分析得到车轮质心的平 动速度和车轮角速度，输入到滑转率估计模块；滑转率估计模块计算各个车轮 的滑转率，输入到滑模变结构控制模块中，作为滑模变结构控制模块的控制目 标对车轮的力矩进行分配；最后将该分配力矩施加到各个车轮上，完成对车轮 的驱动控制；所述的驱动控制方法具体包括以下步骤：

A、工况选择以及控制目标确定

A1、因月球车在加速或减速时需要将滑转率控制在一定的范围内，以提高 驱动效率，且在匀速行驶过程中需要适应地形起伏，避免单轮滑转过大导致的 通过性及协调性变差，所以将月球车的行驶工况分为加速或减速工况和匀速行 驶工况；

A2、加速或减速工况下控制目标的确定

为了保证月球车在加速时车轮具有足够大的驱动力矩和较高的驱动效率， 需要将各个车轮的滑转率控制在驱动效率最佳的范围内；

A3、匀速行驶工况下控制目标的确定

匀速行驶工况下，为了使车轮滑转率得到有效控制，从而降低车体能量损 耗、提高车体的通过性和驱动协调性能；选择各轮滑转率的平均值为控制目标， 若单轮滑转率过高，说明针对固定支反力N的车轮牵引力F过大，降低滑转率 也就减少了不必要的车轮牵引力的消耗；若滑转率过小，说明针对固定支反力N 的牵引力F过小，远远小于地面所能给予的牵引力，为了成功穿越沟壕或是陡 坡等崎岖地形，需要增大滑转率以提高地面牵引力，提高月球车在崎岖地面的 通过性能；

B、车轮滑转率估计

B1、首先对车轮滑转率进行定义，因月球车的各项运动参数和指标均与滑 转率有关，所以滑转率成为了研究的重点，其定义如下：

$\lambda =\left(\begin{array}{c}\frac{\mathrm{rw}-v}{\mathrm{rw}}(\mathrm{rw}>v)\\ \frac{\mathrm{rw}-v}{v}(\mathrm{rw}<v)\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，λ为车轮滑转率，r代表车轮半径，w代表车轮角速度，v代表车轮质心 的平动速度；

B2、针对步骤A确定好的控制目标，对其进行精确估计；首先，选择视觉 里程计来估计车轮质心的平动速度；其次，利用车轮速度传感器来实时测量车 轮的速度；最后利用公式(1)计算各个车轮的滑转率；

C、月球车系统模型的建立

研究对象为六轮摇臂-转向架式月球车，由车体、悬架机构和六个车轮组成， 悬架结构由左右侧对称的摇臂和转向架组成，每个车轮上均安装有等型号的驱 动电机，左侧的左前轮、左中轮和左后轮三个车轮序号分别为1、3和5，右侧 的右前轮、右中轮和右后轮三个车轮序号分别为2、4、6；考虑车体的纵向运动， 对六轮月球车的单侧模型进行受力分析，列出其动力学方程如下：

$\left(\begin{array}{c}m\stackrel{·}{v}=\underset{i=\mathrm{1,3,5}}{\Sigma }(F_{\mathrm{Hi}}-F_{\mathrm{Ri}})\\ I_w{\stackrel{·}{w}}_i=T_i-T_{\mathrm{ri}}(i=\mathrm{1,3,5})\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，m为月球车整体质量M的1/2，F_Hi为第i轮的土壤推力，F_Ri为第i 轮的土壤阻力，T_ri为地面施加给车轮i的阻力矩，I_w为单个车轮绕轮轴心的转动 惯量，w_i为车轮i的角速度，T_i为由驱动器施加给车轮i的驱动力矩，其中下标 i在全文中均为单侧车轮的标号；

对(1)式进行求导，并将(2)式代入得如下公式：

$\stackrel{·}{\lambda }=f(\lambda ,v)+B(\lambda ,v)·u---\left(3\right)$

其中，λ＝[λ₁，λ₃，λ₅]^T，u＝[T₁，T₃，T₅]^T，f(λ，v)＝[f₁(λ，v)，f₃(λ，v)，f₅(λ，v)]^T， $f_i(\lambda ,v)=-(1-{\lambda }_i)[\underset{i=\mathrm{1,3,5}}{\Sigma }{F}_{\mathrm{Hi}}-\underset{i=\mathrm{1,3,5}}{\Sigma }{F}_{\mathrm{Ri}}]/\mathrm{Mv}-r{(1-{\lambda }_i)}^2{T}_{\mathrm{ri}}/I_{w}v,$B_i(λ，v)＝r(1-λ_i)²/I_wv， i＝1、3、5；

D、车轮分配力矩T_i的计算

D1、依据步骤C建立的模型，利用滑模变结构控制算法计算各车轮分配力 矩u_i，具体步骤如下：

D11、匀速行驶工况下的控制目标为各轮平均滑转率加速行驶 工况下的控制目标为期望滑转率λ_d；根据滑模控制理论，加速时取系统状态偏 差为e_i＝λ_i-λ_d，匀速行驶时取系统状态偏差为选取切换函数：

$s_i=r_{1i}{e}_i+r_{2i}{\stackrel{·}{e}}_i---\left(4\right)$

其中λ_i为车轮i，i＝1～6的滑转率，各车轮滑转率的平均值，为系统状态 偏差的一阶导数，r_1i，r_2i为常数权重系数；

D12、因两种工况下滑模控制理论相同，仅系统状态偏差不同，所以此处以 匀速行驶工况为例，根据滑模控制理论，如果达到理想的滑动模态控制，则等 效控制表示为联合(4)式与有：

${\stackrel{·}{s}}_i=r_{1i}{\stackrel{·}{\lambda }}_i-r_{1i}\stackrel{·}{\stackrel{‾}{\lambda }}+r_{2i}{\stackrel{··}{\lambda }}_i-r_{2i}\stackrel{··}{\bar{\lambda }}=0---\left(5\right)$

为了满足滑模变结构控制的到达条件，且以最短时间到达滑模面并保证系 统具有良好的鲁棒性，同时尽量削弱到达时产生的抖振，采用指数趋近律表达 形式：

${\stackrel{·}{s}}_i=-\mathrm{ϵsgn}{s}_i-k{s}_i---\left(6\right)$

ε＞0和k＞0为控制参数；为了保证削弱抖振同时也能够快速趋近，在减少ε 的同时增大k的数值，其中符号函数sgn(s)公式为

$\mathrm{sgn}\left(s\right)=\left(\begin{array}{c}1,s>0\\ 0,s=0\\ -1,s<0\end{array}\right).$

将(3)式带入到(5)式中得：

${\stackrel{·}{s}}_i=r_{1i}(f_i(\lambda ,v)+B_i(\lambda ,v){·u}_i)-r_{1i}\stackrel{·}{\stackrel{‾}{\lambda }}+r_{2i}{\stackrel{··}{\lambda }}_i-r_{2i}\stackrel{··}{\bar{\lambda }}---\left(7\right)$

联合(6)和(7)式，得到滑模变结构控制模块的设计结果如下：

$u_i=\frac{ϵ\left|s_i\right|\mathrm{sgn}\left(s_i\right)+{\mathrm{ks}}_i-r_{1i}\bar{\lambda }+r_{2i}{\stackrel{··}{\lambda }}_l-r_{2i}\stackrel{··}{\bar{\lambda }}+r_{1i}·f_i(\lambda ,v)}{r_{1i}·B_i(\lambda ,v)}---\left(8\right)$

u_i即为滑模变结构控制模块的输出量；

D2、计算PID速度控制模块的输出量T_v

用PID速度控制算法使月球车按期望速度v_d行驶；令系统偏差为e＝v_d-v_cheti， 得PID速度控制模块方程为：

$T_v=K_p·e+K_d·\stackrel{·}{e}+K_i·\int \mathrm{edt}---\left(9\right)$

其中v_cheti为月球车车体实际行驶速度，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微 分系数，控制过程中可对三个参数进行调整和修改，T_v为PID速度控制模块的 输出量；

D3、根据车轮分配力矩的计算公式T_i＝u_i+T_v，即可得到月球车各个车轮的 分配力矩T_i。

与现有技术相比，本发明的效果和益处是：

本发明将月球车行驶工况分为两种：一种为车体加速或减速工况，将车轮 的滑转率控制在驱动效率较高的范围内，可保证车轮较高的驱动效率；一种为 车体匀速行驶工况，以各个车轮滑转率的平均值为控制目标，可避免控制目标 单一，单轮滑转率过高或过低引起的能耗增加，通过性变差等问题。采用滑模 变结构控制算法，求解简单，计算量小，保证了系统具有良好的鲁棒性，使月 球车在崎岖环境下的运动更加协调。

附图说明

本发明共有附图2幅，其中：

图1为月球车驱动控制框图。

图2为本发明研究的六轮摇臂-转向架轮式月球车的三维模型。

图中，1、左前轮，2、右前轮，3、左中轮，4、右中轮，5、左后轮，6、 右后轮，7、摇臂，8、转向架，9、车体。

具体实施方式

以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。如图1所示，v_d为月球车 期望行驶速度；v_cheti为月球车车体实际行驶速度；u_i为滑模变结构控制模块的输 出量；T_v为PID速度控制块的输出量；T_i为月球车车轮i的分配力矩；λ_i为车轮 i的滑转率估计；w为车轮角速度，v为车轮质心的平动速度。

A、工况选择以及控制目标确定

第一步：定义车体的期望速度v_d与车体的实际行驶速度v_cheti存在的相对误 差|(v_d-v_cheti)/v_d|·100％小于10％时，属于匀速行驶工况；否则属于加速或减速 工况。

第二步：控制目标的确定。

匀速行驶工况下，选择各车轮滑转率平均值为控制目标；若为加速工况， 控制目标为0.1，范围为0.1～0.3可选；若为减速工况，控制目标为-0.1，范围在 -0.3～-0.1可选。

B、车轮滑转率估计

滑转率的计算公式如下：

$\lambda =\left(\begin{array}{c}\frac{\mathrm{rw}-v}{\mathrm{rw}}(\mathrm{rw}>v)\\ \frac{\mathrm{rw}-v}{v}(\mathrm{rw}<v)\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，车轮半径r为120mm；w为车轮角速度，利用车轮速度传感器可实时测 量车轮的实际速度r·w；v为车轮质心的平动速度，利用视觉里程计来计算车轮 质心的平动速度v；最后利用公式(1)估计出六个车轮的滑转率。

C、月球车系统模型的建立

考虑车体的纵向运动，对六轮月球车的单侧模型进行受力分析，列出其动 力学方程如下：

$\left(\begin{array}{c}m\stackrel{·}{v}=\underset{i=\mathrm{1,3,5}}{\Sigma }(F_{\mathrm{Hi}}-F_{\mathrm{Ri}})\\ I_w{\stackrel{·}{w}}_i=T_i-T_{\mathrm{ri}}(i=\mathrm{1,3,5})\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中m为月球车整体质量M的1/2，m取为60kg，F_Hi为第i轮的土壤推力，F_Ri为第i轮的土壤阻力，T_ri为地面施加给车轮i的阻力距，I_w为单个车轮绕轮轴心 的转动惯量，此处选取0.05kg·m²，w_i为车轮i的旋转角速度，由车轮传感器测 得，T_i为由驱动器施加给车轮i的驱动力矩。

本发明中采用滑模变结构控制方法对车轮力矩进行分配，涉及到有关滑模 变结构控制算法的理论，高为炳在《变结构控制理论基础》一书中进行了详细 介绍。有关月球车车体动力学方程中变量T_ri、F_Hi、F_Ri的计算，陈百超在博士论 文《月球车新型移动系统设计》中第四章第二部分对其进行了详细求解。

对(1)式进行求导，并将(2)式代入得如下公式：

$\stackrel{·}{\lambda }=f(\lambda ,v)+B(\lambda ,v)·u---\left(3\right)$

其中λ＝[λ₁，λ₃，λ₅]^T  ，u＝[T₁，T₃，T₅]^T  ，f(λ，v)＝[f₁(λ，v)，f₃(λ，v)，f₅(λ，v)]^T， $f_i(\lambda ,v)=-(1-{\lambda }_i)[\underset{i=\mathrm{1,3,5}}{\Sigma }{F}_{\mathrm{Hi}}-\underset{i=\mathrm{1,3,5}}{\Sigma }{F}_{\mathrm{Ri}}]/\mathrm{Mv}-r{(1-{\lambda }_i)}^2{T}_{\mathrm{ri}}/I_{w}v,$B_i(λ，v)＝r(1-λ_i)²/I_wv， (i＝1，3，5)，M为月球车整体质量，取120kg。

D、车轮分配力矩T_i的计算

D1、滑模变结构控制模块输出量u_i计算的具体步骤如下：

第一步：因两种工况下滑模控制理论相同，仅系统偏差不同，所以此处以 匀速行驶工况为例，其控制目标为各轮平均滑转率根据滑模控制理论，取系 统状态偏差为选取切换函数：

$s_i=r_{1i}{e}_i+r_{2i}{\stackrel{·}{e}}_i---\left(4\right)$

其中λ_i为车轮i(i＝1～6)的滑转率，为系统状态偏差的一阶导数，r_1i、r_2i为常数权重系数，在本发明中分别取为0.6、0.4。

第二步：根据滑模控制理论，如果达到理想的滑动模态控制，则等效控制 表示为联合(4)式与有：

${\stackrel{·}{s}}_i=r_{1i}{\stackrel{·}{\lambda }}_i-r_{1i}\stackrel{·}{\stackrel{‾}{\lambda }}+r_{2i}{\stackrel{··}{\lambda }}_i-r_{2i}\stackrel{··}{\bar{\lambda }}=0---\left(5\right)$

采用指数趋近律的表达形式：

${\stackrel{·}{s}}_i=-\mathrm{ϵsgn}{s}_i-k{s}_i---\left(6\right)$

ε＞0和k＞0为控制参数，本发明中分别取为0.2和130。

将(3)式带入到(5)式中得：

${\stackrel{·}{s}}_i=r_{1i}(f_i(\lambda ,v)+B_i(\lambda ,v){·u}_i)-r_{1i}\stackrel{·}{\stackrel{‾}{\lambda }}+r_{2i}{\stackrel{··}{\lambda }}_i-r_{2i}\stackrel{··}{\bar{\lambda }}---\left(7\right)$

联合(6)和(7)式，得到滑模变结构控制模块的设计结果如下：

$u_i=-\frac{ϵ\left|s_i\right|\mathrm{sgn}\left(s_i\right)+{\mathrm{ks}}_i-r_{1i}\bar{\lambda }+r_{2i}{\stackrel{··}{\lambda }}_l-r_{2i}\stackrel{··}{\bar{\lambda }}+r_{1i}·f_i(\lambda ,v)}{r_{1i}·B_i(\lambda ,v)}---\left(8\right)$

u_i即为滑模变结构控制模块的输出量。

D2、PID速度控制模块的输出量T_v的计算。

一般而言，月球车漫游的期望行驶速度v_d为0～200m/h，这里取200m/h。令 系统偏差为e＝v_d-v_cheti，可得PID速度控制模块的输出结果：

$T_v=K_p·e+K_d·\stackrel{·}{e}+K_i·\int \mathrm{edt}---\left(9\right)$

其中v_cheti为月球车车体速度，可通过视觉里程计实时测得，K_p为比例系数， K_i为积分系数，K_d为微分系数，取值分别为24、0、16。T_v为PID速度控制的 输出量。

D3、根据车轮分配力矩的计算公式T_i＝u_i+T_v，即可得到月球车各个车轮的 分配力矩T_i。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。