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月面巡视探测器驱动协调及路径跟踪控制方法研究

吴淑梅  
【摘要】:月球表面覆盖有松软、粉尘状土壤,使得月球车行驶的环境非常恶劣,月球车车轮很容易产生打滑、下陷现象。且车轮与车轮之间的运动状态不匹配使与车轮相连的悬架内部产生应力,增大月球车的能量损耗及机械磨损。因此,月球车的驱动协调控制策略成为了月球车行驶过程中需要解决的一项技术难题。 月面低重力环境使得难以在地面上进行月壤环境的模拟。因此,本文基于三维可视化动力学仿真软件ADAMS建立了本文的研究对象-六轮摇臂-转向架式月球车-的三维仿真模型,设计了以月球车各个车轮平均滑转率为控制变量的滑模变结构驱动协调控制算法,该算法综合考虑了月球车在崎岖地面运动的速度、车轮负载变化对车轮牵引力的影响。通过爬坡和过沟仿真试验分析,验证了该控制算法可提高车体的驱动协调性能,降低月球车的能耗进而提高了月球车车体的使用寿命。 月球车在探测任务中为了按照规划路径行驶并准确达到目的地,需要精确地考虑月球车的纵向和横向行驶跟踪误差。因此,本文在对月球车进行驱动协调控制的基础上,设计了基于滑转补偿的路径跟踪最优控制算法,该算法在避免月球车车轮频繁转向、提高转向电机使用寿命的同时,还可在保证横向跟踪精度的基础上实现纵向滑转率的有效调节。通过分析月球车的运动学模型和月球车的驱动系统辨识建立被控系统的状态空间模型,本文采用最优控制算法对其在崎岖路面上进行路径跟踪控制,并对被控系统的可观、可控性进行了分析。 最后,结合ADAMS与MATLAB/Simulink,在其联合仿真环境下进行了仿真试验。结果表明,本文设计的算法可以在实现路径跟踪的基础上,降低月球车在崎岖路面各轮的滑转率差异,从而减少内力消耗,提高车体的通过性能,使月球车在崎岖月表上运动更加协调。


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