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基于RTAI的多关节式月球车运动控制研究

方海涛  
【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。


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