月面巡视器牵引控制方法研究

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牵引控制作为月面巡视器导航与控制系统的重要组成部分,是月面巡视探测任务目标实现的必要环节。本论文针对月壤特性以及月面巡视器驱动系统冗余的问题,研究了月面巡视器的闭环协调牵引控制系统。在月面巡视器基本结构和轮-地作用系统的基础上,对其动力学模型、牵引控制、车轮力矩协调控制和鲁棒控制等几个方面进行了研究,并设计了月面巡视器牵引控制动力学解算系统。具体研究工作如下:  首先,针对六轮独立驱动摇臂式月面巡视器系统设计了一种闭环协调的牵引控制方案,提出了一种基于“刚轮-软土”力学和拉格朗日方程的月面巡视器动力学分析与建模方法。设计的方案能够使巡视器在复杂的月面地形上更好地跟踪运动规划算法所期望的车体运动速度,并通过对巡视器驱动系统的分析,实现冗余驱动系统的动力学优化;提出的建模方法所建模型具有形式更简洁,物理意义更加明确的特点。依据经典的Bekker承压模型,分析并简化了轮-地作用模型,给出了基于力学平衡的轮-地接触角估计方法。以上这些对象模型的建立为牵引控制系统的设计和实现提供了基础。  然后,根据设计的牵引控制方案,针对系统模型的建模误差以及不确定性研究了月面巡视器滑模变结构的牵引控制方法,并对得到的合力、合力矩进行优化分配。考虑到松软土壤条件下车轮易“打滑”的特性,通过增加滑移率补偿项,有效抑制滑移率的增长,提高了巡视器的驱动效率。采用直接自适应滑模牵引控制方法。使得控制对象的跟踪误差收敛到零或者一个小邻域内;并消除滑模控制的抖振。在对其动力学特性进行优化时,提出了基于寻优的车轮力矩分配方法,实现巡视器在月面行走时获得最大的牵引力或最小能量损耗的目标。通过实验验证了牵引控制算法和力矩分配算法的有效性和优越性。  接着,针对系统模型的不确定性和外界干扰的频率范围已知的情况下,提出了一种基于有限频方法的模糊鲁棒牵引控制。利用T-S模糊系统对非线性系统进行逼近,以得到依赖可测量参数的线性化方程,考虑不同频段的鲁棒性能指标,设计PDC状态反馈控制器,并将控制器设计条件转化为一组线性矩阵不等式(LMIs)的优化求解问题。通过MATLAB上的仿真验证了提出的算法较之传统的全频算法具有更好的控制效果,降低了系统的保守性。  最后,设计了月面巡视器牵引动力学解算系统。使用ODE动力学引擎建立月面巡视器动力学模型,引入“刚轮-软土”作用的简化模型,并完成轮-地参数检测,实现巡视器的牵引控制,对各个子模块流程进行设计,最后给出该动力学解算系统的测试结果。前述牵引控制系统的各算法即是基于该系统进行的验证。
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