六輪搖臂式月球車運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制模式研究.pdf

1、隨著航天技術(shù)的發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，探月計(jì)劃已被納入日程。月球表面地形復(fù)雜、未知，加之月球車所攜帶的能源有限，因此，降低月球車行駛的能耗性，充分利用有限的能源，是保證探月任務(wù)順利完成的關(guān)鍵。
　　為消除六輪搖臂式月球車行進(jìn)過(guò)程中的寄生功率損失，從而降低能耗，提出了運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制模式。運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型是從寄生功率產(chǎn)生原因入手，以月球車姿態(tài)角為狀態(tài)變量，以電機(jī)轉(zhuǎn)速為規(guī)劃變量，電機(jī)轉(zhuǎn)矩等為中間變量，以六輪瞬時(shí)功率之和為目標(biāo)函數(shù)，以滿足

2、速度投影定理的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、準(zhǔn)靜態(tài)平衡力學(xué)模型、驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率、地面驅(qū)動(dòng)力系數(shù)、電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)力等為約束條件的有約束最優(yōu)化模型。在對(duì)規(guī)劃模型進(jìn)行整理后，基于Kuhn-Tucker條件求解規(guī)劃模型，并將最優(yōu)解作為依據(jù)控制月球車行進(jìn)。仿真表明，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制模式可以有效減少寄生功率損失，降低能耗。
　　根據(jù)搖臂式懸架的被動(dòng)適應(yīng)地形特性，提出了根據(jù)地形信息計(jì)算月球車姿態(tài)角的模型，結(jié)合運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制模式進(jìn)一步計(jì)算運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制參數(shù)，最終計(jì)算通過(guò)路

3、徑所需能量。在此基礎(chǔ)上，在分析了現(xiàn)有路徑規(guī)劃系統(tǒng)的片面性和局限性后，提出了以通過(guò)路徑所需能量、所需時(shí)間、路徑起伏狀況、路徑長(zhǎng)度等為屬性的路徑多屬性決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TOPSIS法，從若干條可通行路徑中決策出最優(yōu)路徑。仿真表明，路徑多屬性決策系統(tǒng)所優(yōu)選出的最優(yōu)路徑，兼顧低能耗性、快速性、平穩(wěn)性等要求。
　　作為路徑多屬性決策系統(tǒng)的拓展，提出了月球車群的路徑多目標(biāo)優(yōu)選動(dòng)態(tài)規(guī)劃系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對(duì)由兩輪并列式探路月球車和六輪搖臂式主月球車

4、組成的月球車群，提出了“探路月球車往復(fù)式前進(jìn)，主月球車路徑多目標(biāo)優(yōu)選動(dòng)態(tài)規(guī)劃”的月球車群路徑?jīng)Q策方式。仿真表明，雖然路徑多目標(biāo)優(yōu)選動(dòng)態(tài)規(guī)劃系統(tǒng)消耗更多的時(shí)間，但是降低了能耗。
　　為避免由于模型不準(zhǔn)確所產(chǎn)生的誤差，降低控制系統(tǒng)對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)的依賴，提出了結(jié)合運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制模式的馬爾可夫預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對(duì)月球表面地形分布所具有的馬爾可夫性和月球車搖臂式懸架的被動(dòng)適應(yīng)地形特性，通過(guò)采用馬爾可夫預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)下一狀態(tài)的地形信息，預(yù)測(cè)下一狀

5、態(tài)的月球車姿態(tài)角，從而預(yù)測(cè)下一狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制參數(shù)。仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)的正確性。由于該系統(tǒng)是針對(duì)研究對(duì)象特性所選用的方法，從而避免了常規(guī)預(yù)測(cè)方法的通用模型，減少了計(jì)算量。
　　為確定運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制模式在實(shí)際應(yīng)用中的控制效果，充分驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略的有效性，進(jìn)行了原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以現(xiàn)有的六輪搖臂式月球車原理樣機(jī)為本體，構(gòu)建了由上位機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、電源模塊等組成的硬件系統(tǒng)，編寫了由控制策略算法程序、傳感器數(shù)據(jù)

6、讀取程序、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊控制程序等組成的軟件系統(tǒng)，最終構(gòu)成原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。將相同驅(qū)動(dòng)參數(shù)控制下和協(xié)調(diào)控制策略控制下月球車的能耗作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)十條隨機(jī)路徑上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制模式可有效降低能耗，最高為5.4％，最低為0.6%。通過(guò)分析可能的誤差原因，提出了實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)措施。
　　針對(duì)理論研究和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，提出了若干條可以改進(jìn)和深入研究的方向，其中包括運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略在其他搖臂式月球車中的應(yīng)用、硬質(zhì)地面假設(shè)條