六轮摇臂式月球车运动协调控制模式研究

论文摘要

随着航天技术的发展和国民经济实力的增强,探月计划已被纳入日程。月球表面地形复杂、未知,加之月球车所携带的能源有限,因此,降低月球车行驶的能耗性,充分利用有限的能源,是保证探月任务顺利完成的关键。为消除六轮摇臂式月球车行进过程中的寄生功率损失,从而降低能耗,提出了运动协调控制模式。运动协调规划模型是从寄生功率产生原因入手,以月球车姿态角为状态变量,以电机转速为规划变量,电机转矩等为中间变量,以六轮瞬时功率之和为目标函数,以满足速度投影定理的运动学模型、准静态平衡力学模型、驱动电机额定功率、地面驱动力系数、电机最大驱动力等为约束条件的有约束最优化模型。在对规划模型进行整理后,基于Kuhn-Tucker条件求解规划模型,并将最优解作为依据控制月球车行进。仿真表明,运动协调控制模式可以有效减少寄生功率损失,降低能耗。根据摇臂式悬架的被动适应地形特性,提出了根据地形信息计算月球车姿态角的模型,结合运动协调控制模式进一步计算运动协调控制参数,最终计算通过路径所需能量。在此基础上,在分析了现有路径规划系统的片面性和局限性后,提出了以通过路径所需能量、所需时间、路径起伏状况、路径长度等为属性的路径多属性决策系统。该系统采用TOPSIS法,从若干条可通行路径中决策出最优路径。仿真表明,路径多属性决策系统所优选出的最优路径,兼顾低能耗性、快速性、平稳性等要求。作为路径多属性决策系统的拓展,提出了月球车群的路径多目标优选动态规划系统。该系统针对由两轮并列式探路月球车和六轮摇臂式主月球车组成的月球车群,提出了“探路月球车往复式前进,主月球车路径多目标优选动态规划”的月球车群路径决策方式。仿真表明,虽然路径多目标优选动态规划系统消耗更多的时间,但是降低了能耗。为避免由于模型不准确所产生的误差,降低控制系统对视觉系统的依赖,提出了结合运动协调控制模式的马尔可夫预测控制系统。该系统针对月球表面地形分布所具有的马尔可夫性和月球车摇臂式悬架的被动适应地形特性,通过采用马尔可夫预测方法预测下一状态的地形信息,预测下一状态的月球车姿态角,从而预测下一状态的运动协调控制参数。仿真验证了该系统的正确性。由于该系统是针对研究对象特性所选用的方法,从而避免了常规预测方法的通用模型,减少了计算量。为确定运动协调控制模式在实际应用中的控制效果,充分验证运动协调控制策略的有效性,进行了原理样机实验。实验以现有的六轮摇臂式月球车原理样机为本体,构建了由上位机、数模转换模块、驱动模块、传感器模块、电源模块等组成的硬件系统,编写了由控制策略算法程序、传感器数据读取程序、数模转换模块控制程序等组成的软件系统,最终构成原理样机实验平台。将相同驱动参数控制下和协调控制策略控制下月球车的能耗作为实验结果。通过十条随机路径上的实验结果对比表明,运动协调控制模式可有效降低能耗,最高为5.4%,最低为0.6%。通过分析可能的误差原因,提出了实验的改进措施。针对理论研究和实验过程中发现的问题,提出了若干条可以改进和深入研究的方向,其中包括运动协调控制策略在其他摇臂式月球车中的应用、硬质地面假设条件到松软土壤实际状况的转换、配备随动轮的协调控制装置等。这些问题不仅为运动协调控制模式投入实践奠定了基础,也为今后的深入研究指明了方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 行星探测车及其运动控制技术的研究现状
• 1.3.1 Lunokhod 系列月球探测车及其运动控制技术
• 1.3.2 Moon Buggy 月球探测车及其运动控制技术
• 1.3.3 Rocky 7 地面原理样机及其运动控制技术
• 1.3.4 Sojourner 火星探测车及其运动控制技术
• 1.3.5 SDM 地面原理样机及其运动控制技术
• 1.3.6 FIDO 地面原理样机及其运动控制技术
• 1.3.7 Spirit 与Opportunity 火星探测车及其运动控制技术
• 1.3.8 Marsokhod 地面原理样机及其运动控制技术
• 1.3.9 CAST-HIT 月球探测车原理样机及其运动控制技术
• 1.3.10 MR-2 月球探测车原理样机及其运动控制技术
• 1.3.11 哈尔滨工业大学研制的月球探测车原理样机及其运动控制技术
• 1.3.12 国内其他单位关于月球探测车的研究
• 1.3.13 星球探测车运动控制技术总结
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 六轮摇臂式月球车运动协调控制模式
• 2.1 引言
• 2.2 六轮摇臂式月球车运动分析
• 2.2.1 运动分析的基本假设
• 2.2.2 基于速度投影定理的运动分析
• 2.3 六轮摇臂式月球车准静力分析
• 2.4 运动协调规划模型的建立
• 2.5 运动协调规划模型的整理
• 2.6 运动协调规划模型的求解
• 2.6.1 Kuhn-Tucker 条件简介
• 2.6.2 基于Kuhn-Tucker 条件求解运动协调规划模型
• 2.6.3 对最优解的验证
• 2.7 运动协调控制模式仿真
• 2.8 运动协调控制模式的普遍性
• 2.8.1 四轮主动摇臂式悬架探测车的运动协调控制模式
• 2.8.2 正反四边形悬架式六轮月球车的运动协调控制模式
• 2.9 本章小结
• 第3章 六轮摇臂式月球车及月球车群的路径决策系统
• 3.1 引言
• 3.2 根据地形信息计算六轮摇臂式月球车的姿态角
• 3.2.1 月球车姿态角与地形关系的建模
• 3.2.2 月球车姿态角与地形关系模型的求解
• 3.3 基于TOPSIS 法的路径多属性决策
• 3.3.1 融合地形信息的协调控制
• 3.3.2 路径特征值计算
• 3.3.3 多属性决策过程
• 3.4 基于多目标优选动态规划理论的路径优选动态规划
• 3.4.1 多目标优路径优属度的计算
• 3.4.2 月球车群路径优选动态规划过程
• 3.4.3 月球车群路径优选动态规划仿真
• 3.4.4 路径优选动态规划效果对比分析
• 3.4.5 月球车群路径多目标优选动态规划方法的适用条件
• 3.5 本章小结
• 第4章 六轮摇臂式月球车的马尔可夫预测控制
• 4.1 引言
• 4.2 六轮摇臂式月球车所用预测控制方法的选择
• 4.2.1 传统的预测控制方法
• 4.2.2 针对月球车特性的马尔可夫预测
• 4.3 基于马尔可夫预测理论的地形信息预测
• 4.3.1 马尔可夫预测方法简介
• 4.3.2 月球表面地形信息的马尔可夫预测
• 4.4 根据月球车姿态角计算地形信息
• 4.5 基于运动协调控制模式的预测控制
• 4.6 基于运动协调控制模式的预测控制仿真
• 4.6.1 月球表面地形分布仿真
• 4.6.2 月球表面地形马尔可夫预测仿真
• 4.6.3 结合马尔可夫预测的运动协调控制仿真
• 4.7 预测控制过程对过去状态信息的利用
• 4.8 本章小结
• 第5章 运动协调控制模式的实验及分析
• 5.1 引言
• 5.2 实验目的及实验方法
• 5.3 松软土壤实际状况到硬质地面假设条件的转换
• 5.4 实验平台的硬件系统
• 5.4.1 六轮摇臂式月球车原理样机
• 5.4.2 上位机
• 5.4.3 数模转换模块
• 5.4.4 驱动模块
• 5.4.5 传感器模块
• 5.4.6 电源模块
• 5.5 实验平台的软件系统
• 5.6 原理样机实地实验
• 5.6.1 实验原理样机状态参数
• 5.6.2 运动协调控制参数
• 5.6.3 运动协调控制下驱动电机电流
• 5.6.4 十组实验的平均功率对比
• 5.7 实验误差分析及改进措施
• 5.8 本章小结
• 结论
• 附录 对驱动力系数约束条件的验证
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历