四轮月球车的运动控制和路径跟踪研究

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1、硕士学位论文四轮月球车的运动控制和路径跟踪研究RESEARCHONMOTIONCONTROLANDPATH FOLLOWINGOFFOUR-WHEELEDLUNAR ROVER姚赟峰哈尔滨工业大学2009年6月哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景、来源及其研究的目的和意义1.1.1课题背景和来源月球由于有其独特的空间位置和潜在资源，成为人类开展深空探测的首选目标和向外层空间发展的理想基地。20世纪90年代之后，美国、欧空局、日本等国家和组织揭开了第二轮月球探测高潮的序幕。我国于2003年3月1日

2、启动了首个月球探测计划——“嫦娥工程”，该工程分为“绕”、“落”、“回”三个阶段实施。首先，我国作为世界上的航天大国，开展月球探测对提高国际威望和维护在外空事务中的权益具有巨大的政治意义[1-3]。其次，人类需要有一个全新空间来研究新工艺、新材料及新能源，以此来适应新的科研发展需要。而且要开发出更好的适应于人类社会生存和发展的科技产品需要在宇宙中某些合适的环境下进行前期的探索与试验。所以，为了延拓人类的生存空间，对月球进行探测就变得非常有必要[4,5]。月球车作为探月工程的重要组成部分起着决定性作用，因而颇受各国

3、重视。月球车的主要任务是在登月着陆点附近适当的范围内收集和分析月球表面物质和内部物质。通过月球车的表面探测，人们可以获取月球各个方面的资料（如空气、土壤、岩石等数据），进而为研究月球地质与气候的形成及将来的载人探月、登月打下基础。1970年，苏联成功地发射了无人驾驶月球车——“月球车1号”，如图1-1所示。它在月面上的雨海着陆，完成了月面行走探测并获得了大量的科学数据。1971年9月30日,美国“阿波罗15号”飞船登上月球,两名宇航员驾驶“巡行者1号”行驶了27.9km，如图1-2所示。此后的“阿波罗16号”、“

4、阿波罗17号”携带的月球车,分别在月面上行驶了27km和35km,并利用月球车上的彩色摄像机和传输设备,向地球实时地发回了宇航员在月面上活动的情景及离开月球返回环月轨道时登月舱上升及发动机喷气的景象[6]。月球表面约有33000个月坑，小的直径只有几十厘米或更小，大的直径可达200km，且月坑的深度差别很大，范围从几十米到几公里。月坑内侧很陡，介于20～50º之间，平均约为35º。月球表面这些环境因素已成为月球车设计的瓶颈[7]。针对这种环境，运动控制技术就成为了月球车研究中的关键技术之一，其作用主要有以下三点：

5、(1)确保导航与路径规划的结果得以可靠、准确地实现；-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图1-1月球车1号图1-2巡行者1号(2)通过各驱动轮和转向轮的协调控制使月球车在行驶中的能量消耗尽可小，从而延长有效的工作时间；(3)通过对大机动转向的控制，保障月球车灵活的躲避危险。从目前已有的月球车来看，由于受各种约束条件的限制，其行驶速度都很低，因而对运动控制系统的要求暂时还不高。但随着星球探测车研究的进一步发展，尤其对探测车性能要求的提高，车体的运动控制技术将日益显示其重要性[8]。由于月球表面地形复杂并存在明显的滑

6、移，所以需要对月球车在具有滑移的情况下进行运动学分析并建立相应的运动学模型。另外，对于这样的具有明显滑移的地形，传统的路径跟踪算法已不能准确地跟踪已规划好的路径，因此有必要结合月球车的本身机构特点、月球车运动学、动力学模型，提高月球车在崎岖地形中的控制性能和跟踪精度。本课题来源于哈尔滨工业大学“985”二期项目——“月球探测车与着陆器关键技术研究”。1.1课题研究目的和意义月球车在月球表面行驶过程中存在侧滑、打滑及转向滑移，通常条件下的运动控制和路径跟踪算法已经不再适用，所以需要对具有滑移条件下的月球车进行运动学

7、建模，并建立其具有滑移补偿的路径跟踪算法。通过建立月球车含滑移模型的正、逆运动学模型和具有滑移补偿的路径跟踪算法能有效地补偿月球车行驶过程中由滑移引起的误差。并且由于月球表面地形复杂和周围具体环境的不可预知性，月球车应该具有良好的越障、避障及爬坡能力。而这些不仅需要一个良好的移动系统，更需要一个稳定而精确的运动控制系统来实现。良好的控制系统能准确地控制月球车进行各种复杂的运动，并通过精确地执行命令，确保月球车高质量、高效率-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文地完成探测任务。1.1国内外月球车运动控制和路径跟踪的研

8、究现状1.1.1国内外月球车运动学建模与运动控制的研究现状本文运动学指的是运动几何学，所以月球车的运动学建模是指对其进行运动几何建模，所涉及的是月球车各构件间的空间位姿关系、机构各模块的连接关系以及各构件间运动参数间的关系及其它们的传递过程。运动学建模技术发展到今天已有40多年历史，国内外的学者提出了很多运动学建模的方法[9]。先后出现了误差矩阵法、二次关系模型法、机构学