六圆柱-圆锥轮式月球车多轮协调运动控制研究

月球车的运动控制是月球车完成探测任务的前提.为实现月球车前进、后退和转向等基本运动功能,对六圆柱-圆锥轮式月球车的多轮协调运动控制进行了研究.根据六圆柱-圆锥轮式月球车的机构原理和结构特点,给出了月球车车轮的运动学约束条件,建立了月球车的运动学约束模型,针对月球车的基本运动要求,推导了月球车六轮协调运动的控制模型,并基于实时Linux和PC104总线计算机的车载计算机运动控制系统,对月球车的运动控制进行了实验研究.研究结果证实了六轮协调运动控制模型的正确性,为月球探测车的运动控制系统设计及月球车的自主避障功能等奠定了理论基础.     

八轮扭杆摇臂式月球车越障性能分析

针对八轮扭杆摇臂式月球车的结构特点及已知的月面地形条件,利用准静力学方法推导出了八轮扭杆摇臂式月球车结构尺寸与表征其越障性能的参量间的参数关系式。根据附着系数的物理意义,分析并确定了由月球车主要结构参数表述的单位直径车轮越过垂直障碍高度的参数式。利用该参数式绘制单位直径车轮越障高度与各结构参数间的关系曲线,对各轮的越障能力进行了综合评价,得出了该车型越障能力由两前轮决定的结论。最后,针对不同附着系数,绘制两个结构参数同时改变时越障高度的变化曲线,分析了两个主要结构参数对月球车越障能力的影响。在ADAMS中进行仿真验证,其结果与理论越障高度的相对误差在10%以内,证明了理论推导的可靠性。     

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．     

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.     

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.     

行星越障轮式月球车的设计

为提高月球车的越障能力，结合月球表面的复杂环境，设计了一种行星越障轮式月球车。该车主要由3大部件组成：车架、悬架（由扭杆弹簧和磁弹簧减振器并联构成）和行星越障轮。设计重点在月球车的行为驶系统，该车不仅在悬架设计上考虑了行驶系统的越障性能－采用了扭杆弹簧和磁弹簧减振器相结合的形式，而且在车轮的设计上也考虑到车轮本身的越障能力－采用了行星越障轮。对该车的行驶系统进行了,并对行驶性能进行了分析和计算。结果表明：该车具有较强的越障能力和灵活的转弯特性，能够适应月球表面凹凸不平的环境。     

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。     

低重力补偿下六轮独立驱动月球车的运动分析

为了在地球上模拟月球表面的低重力环境,需要对月球车进行重力补偿.提出了吊丝式双天车结构的重力补偿方案,确定了月球车在崎岖路面上行进的质心域,分析了低重力下吊丝倾角和质心变化对车轮垂直载荷的影响,绘制了车轮垂直载荷的仿真曲线,完成了低重力补偿下月球车的运动分析.研究结果表明,吊丝倾角越小,月球车的质心变化域越小,则因低重力补偿引起的月球车运动波动越小.该研究为月球车低重力实验环境的建立、月球车移动子系统的功能测试和可靠性实验奠定了理论基础.     

为月球车低能耗越障的摇臂悬架参数多目标优化

为满足月球车能耗低、重量轻的使用要求,基于月球车的越障工况,以各驱动电机能量消耗为目标函数,对月球车的摇臂悬架参数进行了优化,并建立了摇臂悬架参数模型。分析了月球车越障通过性条件,建立了悬架参数多目标优化的数学模型。采用极大极小值法,将多目标函数统一成单目标函数,利用序列二次规划法(SQP)进行优化分析,得到了悬架参数的优化值。结果表明,越障时电机能量消耗明显降低。     

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.     

月球车弹性筛网轮的研制

为研究适应松软地形,且质量小、功耗低、驱动力大的月球车车轮,在单轮驱动功率和扭矩计算的基础上,选取了电机和减速器,进行初步的弹性筛网轮的结构设计,对初步设计中主要零件进行了受力分析及详细的结构设计,最终加工出两种不同尺寸的弹性筛网轮,对车轮性能进行了测试.通过弹性筛网轮的研制,综合考虑体积、传递效率及功率等技术因素,实现了车轮的驱动、传动一体化设计,为设计真正的月球车车轮奠定了技术基础;解决了钛合金轮圈的加工工艺问题,为今后研制不同形状的钛合金轮圈奠定了技术基础.     

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.     

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

Forthe concertedmotion of rockerlunar 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 respectively.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.     

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。