六轮摇臂式月球车环境交互动力学建模研究

目前，移动机器人被广泛应用于危险的非结构环境中，在诸如行星探测、灾难搜救、军事侦察、矿山开采等作业中， 机器人将起着越来越重要的作用。机器人在非结构环境中的运动能力和环境适应能力决定了机器人的作业性能。具备稳定性、机动性、越障能力、通过能力与可靠性的移动机器人将具有更好的环境适应能力，进而更好地完成作业任务。 本文针对中国科学院知识创新工程方向性项目“月球车月面探测作业支撑技术研究” 的实际需求， 在对国内外的同类研究深入分析综合的基础上， 对月球车移动系统与环境交互动力学的几个关键问题进行了研究与探讨。(1)研究月球车的运动稳定性和机动性问题。基于车体固定坐标系和地面固定坐标系， 分别建立了四轮转向的六轮摇臂转向架式月球车的转向动力学模型， 证明在两种坐标系下的模型转向动力学方程的一致性；分析了月球车运动的稳态特性和瞬态特性，采用机动性因子来定量地描述月球车运动的稳定性和机动性及其相互关系， 并用机动性因子来设计月球车的稳定性和机动性。(2)研究如何保持理想运动姿态的问题。建立了保持月球车运动姿态的理想模型， 模拟人驾驶汽车的过程建立月球车跟踪规划路径行驶的视觉预瞄模型，设计了保持月球车理想姿态行驶的模型参考自适应控制方案。(3)研究月球车的运动在环境扰动的干扰下会偏离规划路径的问题。利用Laplace 变换考察月球车运动动力学系统对几种典型的环境干扰力形式 的响应，研究环境干扰力对月球车运动的影响。(4)根据车辆地面力学的理论，设计月球车车轮的结构参数，使其充分利 用土壤推力，考虑纵列式月球车多轮通过土壤参数的修正，在NASA 建议的五种土壤上对月球车的支承通过性指标进行了计算； 研究刚性驱动轮在松软路面上行驶车轮滑转率和车轮结构参数对车轮挂钩牵引力、驱动力矩、车轮驱动效率等车轮驱动动力学特性的影响。(5)针对月球车在松软路面上不能正常行驶的主要原因是车轮过度下陷这个问题， 结合月球车行驶动力学模型， 设计以车轮滑转率为状态变量的滑模驱动控制器。仿真结果表明， 采用该控制器可以避免车轮的过度 滑转下陷，保证月球车能够在软质路面上正常行驶。(6)评价六轮摇臂转向架式月球车的越障能力，给出了车轮牵引系数与垂直越障高度的定量函数关系式； 针对月球车越障能力的评价以及越障时各车轮驱动力矩的协调分配的问题， 建立一种基于运动轨迹角的月球车越障能力判断准则， 引入了越障指数，用于定量地评价月球车的越障能力。(7)利用闭链坐标变换和瞬时重合坐标法，结合Kane 方程，同时考虑三维不平地形、松软路面和车轮的滑移，建立了六轮摇臂转向架式月球车的三维姿态动力学模型。