基于虚拟现实的月球车运动规划

《基于虚拟现实的月球车运动规划》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、ClassifiedIndex:TP391.9U.D.C.:681.31DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringLUNARROVERMOTIONPLANNINGBASEDONVIRTUALREALITYCandidate:LuDeshengSupervisor:Prof.HongBingrongAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:ComputerApplicationTechnologyAffiliatio

2、n:SchoolofComputerScienceandTechnologyDateofDefence:July,2006Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要自上世纪90年代以来，包括中国在内的各空间大国相继提出以建立月球基地为主体的“重返月球”计划。月球环境具有高真空、微重力、高温差、强辐射等特点，因此月球探测是一项复杂、危险的工作。使用机器人（或称之为月球车），代替宇航员在月球地面上做实际勘测能够有效地降低风险，延长工作时间，降低探测成本。

3、在我国的月球探测计划中，月球车将会承担重要任务。虚拟现实是指由计算机生成的、模拟人类感觉的世界的实时表示。将虚拟现实技术和机器人学相结合是一条研究、设计机器人的行之有效的途径。本文利用虚拟现实技术对月球车运动规划相关技术进行了研究。主要研究内容包括：月球车实体建模、月表数字地形建模、月球车运动学、动力学以及路径规划等。本文利用虚拟样机技术设计了一种基于摇臂-转向架式的八轮月球车仿真系统。月球车的实体建模是研究月球车虚拟样机的基础，本文结合构造实体几何法和物理建模技术建立了外观真实并且适于运动控制的月球车三维实体模型。为了真实地模

4、拟月球车在月球环境中的运动特性，必须考虑月球的地形特征。地形可以看做一种随机统计过程，分数维布朗运动是迄今为止能够描述真实地形的最好的随机过程，分形地景建模是对应于分数维布朗运动的地形建模方法，中点位移法是其中最为常用的一种，但中点位移法不能兼顾整个地形的相关性。为此，本文提出了一个盲人住宿模型。利用该模型生成的地形相比中点位移法而言，能有效地兼顾整个地形的相关性。月球车在行驶过程中，不可避免地要进行诸如爬坡、转向等复杂动作，这就要求月球车必须具备非常高的灵活性。而高度的灵活性则对月球车的运动学和动力学建模提出很大挑战。本文依照

5、月球车关节联接关系建立了月球车坐标系，通过构造法建立的车轮雅可比矩阵对月球车运动学方程进行了推导，该方法避免了求导运算，简化了雅可比矩阵的求解步骤；将递归动力学与力矩优化控制结合，提出了一种月球车运动控制算法，该算法使我们能够有效地处理如关节位置限制和力矩限制等约束；对月球车转向系统的动力学特性与控制方案进行了研究，以四轮转向系统为例，推导了月球车多轮转向系统的动力学方程，并对其动力学特性进行了研究。－I－哈尔滨工业大学工学博士学位论文月球车行驶在虚拟环境中崎岖的地形表面，构成车轮的多面体模型将会不断地和构成地形模型的表面相交—

6、—碰撞。本文利用碰撞检测研究月球车在虚拟环境中的轮-地相互作用机制。碰撞检测问题是虚拟环境生成速度的一个瓶颈。针对月球车的运动特点，提出了一种基于碰撞检测定位车轮位置的算法。该方法简单有效，只用到简单的线、面间的交叉测试即可定位仿真图像中车轮中心位置。月球车的运动规划既要保证其在行动路径上免于碰撞——路径规划，还要满足运动学，动力学约束。针对月球车在障碍物空间的运动问题，本文提出了一种两级方案进行月球车运动规划。以位姿空间法为基础，利用自由空间垂直细胞分解完成了月球车在障碍环境中的全局路径规划，该算法时间复杂性为O(nlogn)

7、，而在月球车行驶过程中还要通过对月球车各关节轴角度的不断计算来及时调整姿态。关键词月球车；虚拟现实；运动学；动力学；运动规划－II－AbstractAbstractSince1990s,"ReturningtotheMoon"programhasbeenputforwardbymanycountriesadvancedinspacetechnologyincludingChina,inwhichtheprincipalpartisbuildingthemoonbase.Highvacuum,microgravity,hugete

8、mperaturedifferential,andstrongradiationarethefeaturesofthelunarenvironment,asleadlunarexplorationcomplexanddangerous.Utilizingrobo