【摘要】：近年來(lái),世界各國(guó)相繼展開(kāi)了一系列的星球探測(cè)任務(wù),作為科學(xué)探測(cè)儀器的有效載體平臺(tái),星球車在星球探測(cè)工程中起著舉足輕重的作用。然而,由于星球表面覆蓋著一層松軟的星壤,使得星球車在行駛過(guò)程中難以維持車輪純滾動(dòng)的理想狀態(tài),為星球車的運(yùn)動(dòng)跟蹤控制帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。目前,針對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人/星球車的運(yùn)動(dòng)跟蹤控制,大多數(shù)研究仍然是基于車輪純滾動(dòng)的理想假設(shè)展開(kāi)的,學(xué)者們往往忽略車輪在松軟地形下的縱向及側(cè)向滑動(dòng)所帶來(lái)的干擾問(wèn)題。因此,針對(duì)星壤這一類松軟地形,本文在考慮車輪縱向/側(cè)向滑動(dòng)的情況下,對(duì)星球車的運(yùn)動(dòng)跟蹤控制展開(kāi)了一系列的研究。為了在崎嶇地形下,保持車體行駛過(guò)程中的平穩(wěn)性,本文以一款六輪搖臂型星球車作為研究對(duì)象。在星球車行駛過(guò)程中,為了對(duì)各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行有效地多自由度控制,本文根據(jù)星球車的各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)關(guān)系,將車體的運(yùn)動(dòng)指令分解至各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)期望的車體運(yùn)動(dòng)效果,進(jìn)而推導(dǎo)得到了車體運(yùn)動(dòng)速度與車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)之間的雅克比矩陣;根據(jù)星球車在松軟地形上行駛過(guò)程中產(chǎn)生車輪縱向/側(cè)向滑動(dòng)的輪地相互作用機(jī)理,建立了受車輪縱向/側(cè)向滑動(dòng)干擾的星球車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;進(jìn)一步,結(jié)合松軟地形下的輪地作用力學(xué)理論,以及傳統(tǒng)的車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)理論,推導(dǎo)得到了受車輪縱向/側(cè)向滑動(dòng)影響的星球車動(dòng)力學(xué)模型。在松軟崎嶇地形下,受縱向/側(cè)向滑動(dòng)的干擾,車輪的軌跡跟蹤性能會(huì)變差,使得傳統(tǒng)星球車軌跡跟蹤算法得到的控制指令產(chǎn)生偏差。此外,由于地形幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)的變化,每個(gè)車輪產(chǎn)生的縱向/側(cè)向滑動(dòng)程度也不同,使得采用固定的補(bǔ)償算法對(duì)指令的跟蹤效果往往較差。因此,本文根據(jù)建立的六輪星球車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,對(duì)星球車車體參考點(diǎn)指令速度和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)(驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī))之間的雅克比矩陣進(jìn)行解耦,進(jìn)而可以將星球車車體的軌跡跟蹤控制量(前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)向速度)分別映射到星球車的六個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和四個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī);利用前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及無(wú)跡卡爾曼濾波算法對(duì)輪地接觸面產(chǎn)生的車輪縱向滑動(dòng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和補(bǔ)償;通過(guò)最優(yōu)控制對(duì)輪地相互作用產(chǎn)生的車輪側(cè)向滑動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)和補(bǔ)償,進(jìn)而保證星球車能夠按照預(yù)定軌跡完成巡航和探測(cè)任務(wù)。盡管采用自主軌跡跟蹤控制算法能夠完成給定的任務(wù),然而,在星球表面無(wú)處不潛伏著威脅到星球車安全性的因素,指令的偏離往往帶來(lái)不可挽回的損失,因此,在星球車控制工程中,遠(yuǎn)程的遙操作控制同樣是必不可少的一種控制模式。為了在遠(yuǎn)距離對(duì)星球車進(jìn)行遙操作,本文提出了基于速度跟蹤誤差的星球車雙向力反饋遙操作系統(tǒng),并采用Llewellyn準(zhǔn)則獲得了其絕對(duì)穩(wěn)定性條件;同時(shí),為了補(bǔ)償由車輪滑動(dòng)現(xiàn)象帶來(lái)的速度指令跟蹤誤差,在從端星球車提出了速度指令局部自主補(bǔ)償算法。為了協(xié)調(diào)各個(gè)車輪滑動(dòng)參數(shù)相異產(chǎn)生的內(nèi)力,本文在對(duì)星球車滑轉(zhuǎn)沉陷機(jī)理分析的基礎(chǔ),提出了以PE-TE為優(yōu)化指標(biāo)的算法來(lái)協(xié)調(diào)各輪滑轉(zhuǎn)率;并構(gòu)建規(guī)劃滑轉(zhuǎn)率跟蹤控制算法,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近星球車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中參數(shù)未知的非線性函數(shù),通過(guò)Lyapunov方法證明了所設(shè)計(jì)控制算法的系統(tǒng)穩(wěn)定性。為了驗(yàn)證提出的上述控制算法,本文通過(guò)搭建星球車原理樣機(jī)的電控系統(tǒng),結(jié)合Falcon操作手柄和運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng),并采用沙土模擬松軟星壤,進(jìn)而利用星球車原理樣機(jī)對(duì)本文所提出的上述控制算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用本文提出的星球車運(yùn)動(dòng)學(xué)指令分解方法能夠很好地將車體的指令分解到每個(gè)車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)及轉(zhuǎn)向電機(jī)的控制指令;采用基于前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和最優(yōu)控制的軌跡跟蹤算法能夠消除車輪縱向/側(cè)向滑動(dòng)的干擾,實(shí)現(xiàn)較高精度的軌跡跟蹤;采用半自主遙操作控制算法及滑轉(zhuǎn)率協(xié)調(diào)控制算法,星球車車體速度能夠很好地跟上操作手柄的控制指令,同時(shí)具有較好地操作性能。本文的研究成果為松軟地形下的星球車運(yùn)動(dòng)跟蹤控制問(wèn)題提供了研究基礎(chǔ)及方案,為我國(guó)后續(xù)的星球車探測(cè)任務(wù)提供了技術(shù)參考。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V476;V448.2
【圖文】：

第 1 章 緒 論 星球車研究現(xiàn)狀早開(kāi)始研究月球車及行星探測(cè)的國(guó)家主要是美國(guó)和蘇聯(lián)，歷史上測(cè)車是 Lunokhod1，由蘇聯(lián)研制[6]，而后 Lunokhod2 在其基礎(chǔ)上提升了運(yùn)動(dòng)速度及攝像性能，于 1973 年在月面澄海東部降落[7]。國(guó)在 1971 年起，先后在阿波羅 15 號(hào)，16 號(hào)和 17 號(hào)任務(wù)中攜帶車 Apollo LRV[8-10]展開(kāi)相關(guān)的月球探測(cè)任務(wù)。

第 1 章 緒 論 星球車研究現(xiàn)狀早開(kāi)始研究月球車及行星探測(cè)的國(guó)家主要是美國(guó)和蘇聯(lián)，歷史上測(cè)車是 Lunokhod1，由蘇聯(lián)研制[6]，而后 Lunokhod2 在其基礎(chǔ)上提升了運(yùn)動(dòng)速度及攝像性能，于 1973 年在月面澄海東部降落[7]。國(guó)在 1971 年起，先后在阿波羅 15 號(hào)，16 號(hào)和 17 號(hào)任務(wù)中攜帶車 Apollo LRV[8-10]展開(kāi)相關(guān)的月球探測(cè)任務(wù)。

1 星球車研究現(xiàn)狀最早開(kāi)始研究月球車及行星探測(cè)的國(guó)家主要是美國(guó)和蘇聯(lián)，歷史上第探測(cè)車是 Lunokhod1，由蘇聯(lián)研制[6]，而后 Lunokhod2 在其基礎(chǔ)上進(jìn)并提升了運(yùn)動(dòng)速度及攝像性能，于 1973 年在月面澄海東部降落[7]。美國(guó)在 1971 年起，先后在阿波羅 15 號(hào)，16 號(hào)和 17 號(hào)任務(wù)中攜帶有球車 Apollo LRV[8-10]展開(kāi)相關(guān)的月球探測(cè)任務(wù)。圖 1-1 Lunokhod1 月球車[6]圖 1-2 Lunokhod2 月球車[7]Fig.1-1 Lunokhod1 lunar rover[6]Fig.1-2 Lunokhod2 lunar rover[

【參考文獻(xiàn)】

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1 彭飛;王朝立;;基于車載攝像機(jī)移動(dòng)機(jī)器人的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)跟蹤[J];上海理工大學(xué)學(xué)報(bào);2014年04期

2 孫澤洲;張廷新;張q

本文編號(hào)：2756302