本文根据六轮摇臂式月球探测车的结构特点,以闭链坐标变换和瞬时重合坐标法为基本工具,详细推导了六轮探测车的正、逆运动学模型,分析了相关的运动学特性;在运动学建模与分析中,将车轮滑移单独提取出来考虑,给出了滑移量的估算方法。本文的研究结果为六轮月球探测车的结构分析与运动控制提供了有力的基础。
为研究松软土壤下BH-1型六轮月球探测车原理样机的运动性能和越障性能,对原理样机的运动学和动力学进行了理论分析.通过推导BH-1型原理样机车体和车轮的运动学约束关系,研究车轮的前向滑移、转向角滑移及侧向滑移对样机运动学的影响;鉴于月球表面松软的砂质土壤条件,对样机的车轮力学情况进行分析,进而建立基于凯恩方程的机器人动力学模型;利用ODE(open dynamics engine)三维动力学仿真软件对样机的越障过程进行仿真演示.仿真结果证明,BH-1具有优秀的运动性能和越障性能.
根据动物运动的不对称性,设计了一种新型的仿生轮腿式月球车,其移动机构由4个结构相同的轮腿、车体支架以及转向支架3部分构成。在建立仿生轮腿机构坐标变换模型基础上,对月球车移动机构进行了运动学分析,建立了各跨步杆端部的正向运动学模型。基于COSMOS Motion软件对该月球车进行了运动学仿真,给出了移动机构各关节相对于车体质心参考坐标系下的运动轨迹曲线,并对其越障过程进行了虚拟样机运动仿真。仿真表明:该月球车的车身起伏度较小,可以平滑地完成越障跨步动作。
通过Multigen Creator建立月球车3维模型,利用Vega作为可视化仿真平台,实现了月球车轮地交互以及逆运动学求解,并对碰撞检测、相交矢量设置、关节控制等关键技术进行了探讨.月球车上下坡实验结果及分析,证明了该方法在轮地交互可视化仿真中的有效性.
通过分析轮-地接触模型以及摇臂式月球车静力学模型,获得了车轮静态负载的计算方法;作为冗余自由度机器人,利用车轮静态负载以及驱动力矩与速度之间对偶关系,完成了月球车的力矩分配,实现了冗余驱动系统的动力学优化;结合力矩分配并基于月球车动力学模型,讨论协调牵引控制方法,实现了月球车速度跟踪控制;在三维动力学仿真平台上,对该牵引方法进行了性能评价,证实其控制效果优于传统方法。
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.
为了减小摇臂式月球车在崎岖不平的月球表面上行进时车体位姿的变化,给车载科学仪器提供稳定的移动工作平台,对悬架结构参数进行了优化.在对摇臂悬架简化的基础上,定义了悬架的运动学参数,用坐标变换法建立了摇臂月球车的运动学模型,得到了以悬架运动学参数表示的车体位姿方程.以车体位姿中的垂直位移和俯仰角的变化为多目标函数,悬架结构参数为设计变量,建立了多目标优化数学模型,并利用MATLAB优化工具箱进行了优化求解.采用ADAMS软件进行了仿真分析,结果表明,优化后摇臂式月球车车体位姿的变化明显减小.
以被动关节式地形自适应月球车为研究对象,融合关节机器人D-H坐标建模方法构建了月球车悬架运动学模型和以侧倾、俯仰和偏转角表示姿态的欧拉角方式建立了车轮到世界坐标系的悬架完整表达模型。利用悬架完整表达模型,用带有迭代因子的连续迭代和离散迭代数值求解方法,建立了光滑和离散崎岖地形姿态估计算法。最后以8轮扭杆双摇杆摇臂月球车原理样机为例来验证此模型求解方法。仿真结果验证了所建立的基于数值方法的崎岖地形被动关节式月球车姿态估计模型的正确性,其求解模型精度能够满足仿真要求。
为使月球车具有更好的自主导航能力,完成崎岖地形路径规划和崎岖地形可通过性仿真测试,必须建立相应的运动学模型.针对提出的新型八轮移动子系统构型月球车和地形特征,利用不同的坐标系定义和建模方法建立了八轮月球车的3种不同运动学模型:关节机器人D-H坐标建模方法运动模型、平面几何运动学关系和三维几何运动学关系运动学模型.在此基础上对建立的3种运动学模型进行分析对比,提出了3种运动学模型的适用条件和范围.最后指出构建的运动学方程可以作为月球车多轮协调运动控制模型和月球车仿真环境中运动关系的求解器模型.
以往的行星探测巡游车大多采用开环的运动学计算方式来实现巡游车的牵引驱动,但这在复杂地形下并不能满足跟踪给定速度的要求。提出采用基于动力学模型的牵引控制方法,实现月球车速度的闭环反馈控制。作为冗余自由度机器人,利用驱动力矩与速度的对偶关系完成月球车的力矩分配,实现了关节速度范数最小和动能最小的动力学优化效果。在动力学可视化仿真平台上,对基于动力学模型的闭环牵引控制方法进行了性能评价,证实其控制效果优于传统的开环运动学计算方式。
