六圆柱轮式月球车动力学建模与仿真

为了实现月球车的运动控制与自主避障, 对六圆柱轮式月球车的动力学进行了建模与仿真研究.根据该六轮月球车的机构原理和结构特点, 分析了车轮的受力情况, 并根据车辆动力学理论给出了简化计算公式.利用凯恩方法建立了月球车的动力学方程, 并提出了基于动力学模型的车轮计算力矩控制方案, 利用MATLAB/Simulink完成了动力学模型和控制方案的仿真分析.研究结果表明,基于动力学模型的车轮计算力矩控制方案是可行的, 可以使月球车跟踪期望轨迹, 并按轨迹跟踪的精度要求来选择控制器的参数, 使得轨迹控制既满足位置精度, 同时也满足速度精度.     

六圆柱-圆锥轮式月球车的设计

针对月球表面的非结构化环境,设计了一种新型六圆柱-圆锥轮式月球车.整车由三节串联而成,每节具有一对独立驱动的圆柱-圆锥轮,由两个三自由度的悬架结构连接,三节之间能够被动实现俯仰和扭转相对运动;悬架关节中设计有离合器或制动器,能够根据需要锁住关节或在电机驱动下实现主动俯仰或前摆运动,从而能够使月球车根据路况以轮式或轮步方式移动.为了降低刚性车轮产生的振动,在车轮和支承轴之间设计了由金属橡胶构成的减振器.对月球车的结构参数优化和移动性能的分析,结果表明,该车具有很强的地形适应能力和越障能力.     

2种坐标系下月球车转向动力学模型

结合汽车理论和车辆地面力学相关原理,建立六轮式月球车在2种坐标系(地面坐标系和车体坐标系)的转向动力学模型,并分别对这2种模型的特征方程进行了对比分析.结果表明,在2种坐标系下,六轮式月球车的转向动力学方程本质是一致的,且均是多输入多输出线性微分方程组.通过对方程组及其特征方程的分析,得到了月球车的行驶性能与月球车的主要结构参数、行驶速度等参量之间的具体关系式,为进一步深入研究和设计月球车的力学特性及运动控制提供了理论基础.最后通过仿真实验验证了月球车在转向时并不是车速越小越好,而是应该根据车体质量、结构参数、路面条件等因素选择合理的行驶速度.     

哈尔滨工业大学学报 第38卷 总目录

第1期冗余度机器人最小力矩与回避奇异并行优化…………………………………………刘宇,姜艳姝,孙立宁(1)六圆柱-圆锥轮式月球车的设计………………………………………………………陶建国,邓宗全,高海波,等(4)超低温重载工况下陶瓷球失效分析……………………………………………     

HIT-1型月球车的运动学分析

为解决轮式移动机器人在崎岖地形中的运动问题，提出了基于摇杆-转向架的带有弹簧和移动滑块的月球车运动学分析方法，在此基础上详细分析了HIT-l型月球车的3D运动机制，推导了月球车的正向运动和反向运动求解．通过使用弹簧和关节滑块改变车体的质心分布，可加强车体运动重构性，提高车体的牵引力，有效地规划和控制月球车的动作．     

基于ADAMS的六轮月球车动力学建模与仿真

针对月球的复杂地形环境,利用ADAMS软件建立六轮摇臂-转向架式月球车的三维仿真模型,对其进行动力学仿真分析,获得了月球车各部件和整车的动力学特性曲线,为月球车控制系统的设计与数值计算提供了理论依据.     

八轮扭杆摇杆摇臂月球车运动控制研究

详细分析了八轮扭杆摇杆摇臂月球探测车轮子的运动情况和受力分析,提出了5种轮子操作模式,指出月球车在自由操作模式下的运动是比较理想的,机构间的能量损耗是最小的。讨论了对于在复杂环境中轮式探测车的电机驱动模式的选择对探测车运动稳定性的影响。用轮子操作模式的观点分析了3种简单电机驱动模式下月球车在平坦和崎岖地形中的不同运动情况。根据八轮扭杆摇杆摇臂月球探测车的机构特点,结合轮子操作模式,利用月球车机构特征和速度匹配原理,提出一种具有良好地形适应能力运动控制算法,把它融合到了整个运动控制系统当中,提高了月球车在崎岖地形中的运动性能。通过野外环境中的实验证明了运动控制模型的合理性和构建系统的可靠性。     

基于模糊逻辑的六轮月球车路径跟踪控制

以六轮差速转向月球车样机JLUIV-6为研究对象,推导了三维环境下月球车速度运动学模型,进而得出逆运动学模型。在路径跟踪阶层,根据横向偏差和角度偏差设计了车体的偏航角速度模糊控制器,并基于路径曲率和地形崎岖程度,引入模糊修正模块来控制车体的期望速度。在执行阶层,根据控制器输出的车体期望速度和角速度,用逆运动学模型给定车轮相应的转速指令,使其跟踪车体的期望速度和角速度。最后通过ADAMS/Simulink联合仿真验证了所提方法的有效性。     

基于虚拟样机的月球探测机器人运动学建模

为增强月球探测机器人在三维崎岖环境下运动的动态调整能力,采用虚拟样机技术从车轮雅可比矩阵导出了月球车6个车轮的运动学方程。可用最小二乘法从6个车轮的单独雅可比矩阵导出月球车车体的位置和方向,用加速度计测量车体的俯仰角速度和滚动角速度,从而得到月球车的运动速度。仿真结果表明：用该运动学建模方法开发的HIT-1型月球车在崎岖地形中移动时具有动态调整其运动构型的能力,可增强车体的安全性和稳定性;该方法可作为一种通用的三维轮式移动机器人的运动学建模方法。     

基于协调运动控制的摇臂式探测车路径多属性决策

为保证探测车行驶路径节能、快速、安全,在协调运动控制的基础上,对多条待选路径进行多属性决策。根据六轮摇臂式探测车的准静力学模型和基于速度投影定理的运动学模型计算协调运动控制的目标转矩和目标转速。根据摇臂式移动系统的被动变形适应性计算探测车处于任意地形时摇臂的摆角,建立了地形参数与协调运动控制参数之间的关系。在此基础上,计算各条待选路径对通过路径所需能量、通过路径所需时间、路径地形起伏状况和路径长度等属性的属性值。利用TOPSIS法进行多属性决策,从中选择最优路径。数值仿真结果表明,多属性决策系统所选择的最优路径,兼顾节能、快速、安全等因素,避免了单属性决策的片面性。     

两轮并列式月球车的性能及其稳定性分析

随着国内外新一轮探月高潮的掀起,新型的月球车越来越受到人们的关注.文章提出了一种两轮并列式月球车结构以适应月球探测的特点和要求,并对两轮车的驱动原理和性能进行分析,为月球车的应用提供理论基础和参考依据.两轮车行走中箱体平台的稳定性是其在视觉导航及多车对接应用中的关键环节,针对箱体平台的稳定性对两轮车系统进行建模仿真并提出了两轮车系统的模拟控制方案.仿真结果表明采用状态反馈控制可以有效的实现两轮车系统的稳定性控制.两轮并列式月球车的特点和稳定性分析为新型探月车的研究提供新思路.     

基于 PID 控制的月面巡视探测器坡度行驶仿真分析

通过月面巡视探测器爬坡轮与地面的相互作用分析,建立月面巡视探测器坡度行驶地面力学模型。根据双闭环直流调速系统工作原理,采用位置式PID控制算法编写了电机驱动仿真模块,并将电机驱动仿真模块融合到月面巡视探测器多体动力学仿真体系中,构建了完整的月面巡视探测器动力学仿真系统。对月面巡视探测器坡度行驶工况进行仿真分析,初步实现了对月面巡视探测器动力学模型的验证,为月面巡视探测器驱动控制算法、运动规划和路径规划仿真提供技术支持。     

分箱式月球车的预测控制

设计了适应月球探测的分箱体可折叠的月球车移动机构.具有很大的柔性和很强的环境适应能力.为解决该移动系统的控制复杂性.基于一定的规则对复杂的月球车非线性模型进行建模,采用有控制约束的准Min-Max模型预测控制,实现从一个位置到另一个位置的运动.通过求解线性矩阵不等式(LMI)的凸优化获得状态反馈控制律,而LMI的可行性保证了闭环系统的稳定性.仿真表明在满足控制约束的条件下,采用预测控制实现对月球车移动系统目标探测是可行的.     

月球车连杆式差速平衡机构的运动学分析

为了提高月球车运动时车体平稳性和车轮承力平衡性,设计了连杆式差速平衡机构,利用ADAMS软件建立了该机构的三维仿真模型,对其进行了运动学建模、计算和运动仿真,分别获得了机构主要构件运动计算数据曲线和运动仿真曲线,对比验证了建立的运动学模型的正确性和设计的差速平衡机构对车体运动平稳性的作用,样机实验结果与理论计算及仿真结果较好吻合,进一步验证了分析方法和结论的正确性.     

Calculation on the pitch angle of rocker of a rocker lunar rover in uneven terrain and path planning

For the concerted motion of rocker lunar rover, the pitch angle of rocker of a rocker lunar rover in uneven terrain must be calculated. According to the character of passive shape-shifting adaptive suspension of rocker lunar rover, the model of rocker lunar rover and the model of terrain were both simplified. The pitch angle of rocker was calculated using forward solving, reverse solving and the method of offsetting the curve of terrain re- spectively. Because of the banishment of the nonlinearity of equation sets of calculation by reverse solving, the calculation of the pitch angle based on reverse solving was programmed by means of MATLAB. Simulations were carried out by means of ADAMS. The result verified the validity of the calculation based on reverse solving. It provides the theoretical foundation for motion planning and path planning of rocker lunar rover. As applications of the calculation of pitch angle of rocker, the multi-attribute decision making of path based on the concerted motion planning and the predictive control on lunar rover based on the Markov prediction model were introduced.     

月球车不等径车轮在土壤上滚动的力学分析与实验

月球车车轮的结构特征及其与土壤相互作用的力学特性对月球车的运动性能有着重要的影响.文中研制了一种具有抗侧滑特性的月球车不等径刚性车轮.基于车辆地面力学中车轮与土壤间的承压、剪切特性理论,提出了该不等径刚性车轮与松软土壤上滚动作用的修正模型,并采用迭代算法对车轮外形参数与力学特性参量的相互关系进行了计算和对比分析.利用Reece强制滑转原理设计了一套实验装置,进行了不等径刚性车轮在松软土壤上滚动的力学特性参量测试,验证了所建立模型的正确性.     

Kinematic modeling and analysis of novel eight-wheel lunar rover

A new kind of eight-wheel lunar rover is developed, which is a complex closed-chain system and has good capabilities of climbing slope, surmounting obstacles and adapting to uneven terrain. In this paper, the mechanical structure of the novel eight-wheel lunar rover is introduced, forward and inverse kinematic models of the rover are established according to the closed-chain coordinate transformation and instantaneous coincidence coordinate. Based on structural characteristics, its kinetic characteristics are analyzed. Wheel slippages are separated and calculated, and a method for closed-loop control modification using wheel slip estimation during the model establishment is proposed. The results can be applied to the motion control of lunar rover.