【摘要】：近年來,世界各國相繼展開了一系列的星球探測任務(wù),作為科學(xué)探測儀器的有效載體平臺,星球車在星球探測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程中難以維持車輪純滾動的理想狀態(tài),為星球車的運動跟蹤控制帶來了新的挑戰(zhàn)。目前,針對輪式移動機(jī)器人/星球車的運動跟蹤控制,大多數(shù)研究仍然是基于車輪純滾動的理想假設(shè)展開的,學(xué)者們往往忽略車輪在松軟地形下的縱向及側(cè)向滑動所帶來的干擾問題。因此,針對星壤這一類松軟地形,本文在考慮車輪縱向/側(cè)向滑動的情況下,對星球車的運動跟蹤控制展開了一系列的研究。為了在崎嶇地形下,保持車體行駛過程中的平穩(wěn)性,本文以一款六輪搖臂型星球車作為研究對象。在星球車行駛過程中,為了對各運動關(guān)節(jié)進(jìn)行有效地多自由度控制,本文根據(jù)星球車的各個關(guān)節(jié)運動關(guān)系,將車體的運動指令分解至各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實現(xiàn)期望的車體運動效果,進(jìn)而推導(dǎo)得到了車體運動速度與車輪驅(qū)動電機(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程中產(chǎn)生車輪縱向/側(cè)向滑動的輪地相互作用機(jī)理,建立了受車輪縱向/側(cè)向滑動干擾的星球車運動學(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)的車輛運動學(xué)/動力學(xué)理論,推導(dǎo)得到了受車輪縱向/側(cè)向滑動影響的星球車動力學(xué)模型。在松軟崎嶇地形下,受縱向/側(cè)向滑動的干擾,車輪的軌跡跟蹤性能會變差,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,每個車輪產(chǎn)生的縱向/側(cè)向滑動程度也不同,使得采用固定的補(bǔ)償算法對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動學(xué)模型,對星球車車體參考點指令速度和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)(驅(qū)動電機(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驅(qū)動電機(jī)和四個轉(zhuǎn)向電機(jī);利用前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及無跡卡爾曼濾波算法對輪地接觸面產(chǎn)生的車輪縱向滑動參數(shù)進(jìn)行預(yù)測和補(bǔ)償;通過最優(yōu)控制對輪地相互作用產(chǎn)生的車輪側(cè)向滑動進(jìn)行預(yù)測和補(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)則獲得了其絕對穩(wěn)定性條件;同時,為了補(bǔ)償由車輪滑動現(xiàn)象帶來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)各個車輪滑動參數(shù)相異產(chǎn)生的內(nèi)力,本文在對星球車滑轉(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)逼近星球車動力學(xué)系統(tǒng)中參數(shù)未知的非線性函數(shù),通過Lyapunov方法證明了所設(shè)計控制算法的系統(tǒng)穩(wěn)定性。為了驗證提出的上述控制算法,本文通過搭建星球車原理樣機(jī)的電控系統(tǒng),結(jié)合Falcon操作手柄和運動捕捉系統(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)對本文所提出的上述控制算法進(jìn)行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明,采用本文提出的星球車運動學(xué)指令分解方法能夠很好地將車體的指令分解到每個車輪驅(qū)動電機(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)向滑動的干擾,實現(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動跟蹤控制問題提供了研究基礎(chǔ)及方案,為我國后續(xù)的星球車探測任務(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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V476;V448.2
【圖文】：

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

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

1 星球車研究現(xiàn)狀最早開始研究月球車及行星探測的國家主要是美國和蘇聯(lián)，歷史上第探測車是 Lunokhod1，由蘇聯(lián)研制[6]，而后 Lunokhod2 在其基礎(chǔ)上進(jìn)并提升了運動速度及攝像性能，于 1973 年在月面澄海東部降落[7]。美國在 1971 年起，先后在阿波羅 15 號，16 號和 17 號任務(wù)中攜帶有球車 Apollo LRV[8-10]展開相關(guān)的月球探測任務(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;2014年04期

2 孫澤洲;張廷新;張q

本文編號：2756302