松软月壤上融合电机驱动的月球车动力学仿真

论文摘要

月球车是月球探测工程的重要组成部分,也是实现月球探测目标不可缺少的重要媒介。随着虚拟现实技术的发展,设计者可以在计算机上模拟任何复杂环境,建立各种类型的月球车模型,并能快速、经济、有效的对月球车模型进行运动学和动力学仿真分析,对验证、评价、改进月球车模型设计方案起到巨大的作用。电机驱动作为月球车动力学的重要组成部分,为月球车在环境非常复杂的月面巡游提供直接的动力源,也是路径规划、躲避障碍、重置运动目标等各种运动控制算法的直接控制对象。电机驱动仿真的融合为月球车结构的设计及优化和运动控制算法的设计验证提供一个理想的集成环境。本文研究电机驱动控制下的月球车动力学仿真体系,首先对刚性车轮与软质地面相互作用的简化数学模型做了改进和补充,改进后的模型可以较为真实有效地反映月球车在月球表面行走时的轮-地相互作用；其次融合了电机驱动模块,采用双闭环直流调速系统的工作原理,建立了电机驱动模型,并实现了电机驱动模块,来模拟电机驱动作为动力系统的输入输出；最后,在基于Vortex的多体动力学仿真环境中,集成了软土动力学计算模块和电机驱动模块,对整车进行复杂月面工况下的仿真分析。论文将软土动力学计算和电机驱动仿真融合到基于Vortex的月球车动力学仿真体系中,并通过实际试验,开发的平台为中国月球车未来登月提供了理想的的动力学分析及控制策略验证环境。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 软土动力学和电机驱动控制仿真研究的意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国内外月球车仿真体系的研究现状
• 1.3.2 国内外月球车运动学、动力学的研究现状
• 1.3.3 电机控制系统仿真研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 月球车的动力学建模
• 2.1 月球车建模
• 2.1.1 带属性的月球车三维建模
• 2.1.2 基于Vortex创建的动力学模型
• 2.2 月球车转向运动分析及姿态角的计算
• 2.2.1 月球车转向运动分析
• 2.2.2 月球车姿态角的相关计算
• 2.3 基于Bekker的软土动力学模块
• 2.3.1 Bekker理论与软土动力学
• 2.3.2 基于Bekker模型的相关动力学计算
• 2.3.3 单轮模型的实验验证
• 2.4 小结
• 第3章 基于双闭环直流调速原理的电机驱动模型
• 3.1 转速、电流双闭环直流调速系统
• 3.2 模拟PID控制原理
• 3.2.1 位置式PID算法
• 3.2.2 增量式PD算法
• 3.3 转速电流双闭环直流调速系统编程
• 3.3.1 子程序结构及相关参数
• 3.3.2 仿真输出及分析
• 3.4 小结
• 第4章 复杂工况下整车动力学仿真实验与分析
• 4.1 月球车整车动力学体系搭建
• 4.2 整车仿真结果及其分析
• 4.2.1 月坑的行驶情况
• 4.2.2 坡道的行驶情况
• 4.3 小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 创新点
• 5.2 全文总结
• 5.3 工作展望
• 参考文献
• 致谢