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六轮非对称月球车运动控制方法及参数辨识研究

院老虎  
【摘要】:月球车是月面探测的先行者,主要完成对月面环境的探测、考察和样品的收集与分析等任务。其合理的机构设计和优良的运动控制是保证完成月球探测任务的关键。计算机技术、通讯及自动控制技术的发展为月球车的开发和研究提供了更广阔的发展空间,而作为技术核心的运动控制技术已成为月球车技术研发的焦点。本文提出了具有自主知识产权的差速六轮不对称结构月球车新构型,对该构型月球车运动控制中的运动学建模、轨迹跟踪、驱动控制、以及运动参数辨识技术进行了深入的研究。 在分析和比较现有月球车(行星车)结构特点的基础上,提出了一种六轮不对称的超静定月球车新构型,建立了基于崎岖和平坦地形特点的两类运动学模型。该月球车六个车轮非对称分布于车体两侧,摇臂通过扭簧和车体相连,并可自由抬起。车轮的非对称分布有利于月球车越过大于车轮直径的直壁沟壑和攀爬高度大于车轮半径的障碍物。摇臂采用主动控制方式,在车轮发生打滑时仍可为车体提供牵引力,提高了月球车崎岖地形的可通过性。针对该月球车特殊的结构特点,运用多体系统运动学原理结合坐标转换,建立了基于崎岖地形的运动学模型,并通过Matlab仿真验证了该模型的正确性;同时,在分析月球车平面运动特点的基础上,建立了平坦地形的运动学模型,并对车轮滑移(纵向滑移和侧向滑移)现象进行了详细的分析。 针对月球车运动学模型满足非完整约束和不满足非完整约束的控制问题,分别设计了两种基于滑模变结构控制的月球车轨迹跟踪控制律。对于满足非完整约束且不考虑车轮滑移的控制问题,通过合理选择切换函数,在保证滑动模态存在并稳定的基础上,采用后退方法的思想,设计了具有全局渐进稳定的滑模变结构轨迹跟踪控制律。对不满足非完整约束并考虑滑移的轨迹跟踪控制问题,利用微分同胚原理,将月球车运动学模型转化为受扰的链式系统,通过定义一个新的时变滑模面,设计了满足Lyapunov稳定、有限时间收敛的滑模变结构控制律。理论分析和仿真实验表明两种控制律有效可行,实现了月球车的轨迹跟踪控制。 为解决月球车在复杂月面环境下的驱动控制问题,提出了一种基于改进遗传算法整定PID滑模面参数的变结构控制算法。基于对传统遗传算法中的种群多样化和适应度标定两方面考虑,通过分别定义相似度R和适应度标定函数的方法,来增加种群多样性和防止局部最优,有效地提高了遗传算法的全局稳定性和优化速度。基于此,提出了一种通过改进遗传算法对PID滑模面参数进行整定的滑模控制器,解决了月球车驱动控制中由于月面的外部扰动而引起的不确定性控制问题,仿真和实验验证了该方法稳定可行。 为了在月面复杂的轮-地相互作用和运动学限制条件下,实时地估计轮-地接触角和滑移量,保证月球车精确的引导和安全的行走,提出了一种基于离散Kalman Filter构造观测器在线识别滑移量和轮-地接触角的新方法。该方法在对月球车视觉导航数学模型进行分析的基础上,将驱动和导航整合构成闭环系统,考虑月球车的滑移并引入轮-地接触角变量,建立了带有滑移和接触角的运动学方程。通过将实时测量的月球车运动过程质心的数据带入方程中,借助离散化的Kalman Filter递推技术在线识别了滑移量和接触角。仿真和实验结果表明,该方法提高了控制精度,可保证月球车准确、安全的行走。 开发了六轮不对称月球车的运动控制硬件平台和地面试验系统的软件测试程序。针对本实验样车的结构特点,进行了过沟、越障、爬坡和轮-腿折叠等基本运动性能的测试。针对月球车行进过程中出现的车轮滑移,完成了参数辨识滑移补偿多轮协调轨迹跟踪实验,滑移问题得到较好的控制。针对月球车爬坡过程的牵引力不足问题,完成了牵引力实时预测及自主恢复实验,预测结果可作为驱动控制器不确定量上界。


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