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六轮摇臂巡视器建模仿真及试验研究

作　者: 毛宁
导　师: 曹国华
学　校: 长春理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 六轮摇臂巡视器运动学模型轮-壤动力学模型滑转率低重力模拟月壤虚拟仿真系统
分类号: V476.3
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

月面巡视器是搭载各种仪器执行月面探测任务的重要载体,是登陆月球表面进行探测任务的最直接工具。月面环境的特殊性要求巡视器必须从结构上、控制上提高其移动能力,必须通过构建虚拟月面环境来验证巡视器在未知地形上的通过能力,从而保证巡视器在月面作业的平稳性与可靠性,防止出现由于车轮沉陷或者悬架卡死、底盘托底等导致巡视器无法前进的事故。以上功能的实现需要以精确且高效的巡视器模型为基础,基于此,本文对非结构化环境下六轮摇臂巡视器样机的多体运动学模型、动力学模型及控制模型进行了深入研究,在此基础上对巡视器的移动特性、轮壤作用特性进行了仿真试验,并构建了虚拟月面环境的六轮摇臂巡视器仿真系统,从而为巡视器预测设计、性能试验以及样机预演提供验证平台。论文首先推导了六轮摇臂巡视器三维运动学方程,并充分考虑车轮侧滑、滚动滑移以及转向滑移对移动系统的影响,提出了两种高效求解巡视器逆运动学解析解的方法。在此基础上,对整车构型进行了仿真试验,该构型地面适应性强,通过能力高；并且,所建模型的转向驱动角度误差低于0.4%,驱动轮转速精度仅为2.5%,完全可满足控制器设计需要,为下面的地面力学、动力学或者静力学研究提供了理论基础。从提高整车的通过性能与驱动效率入手,深入分析了轮壤作用的力学关系,根据车轮轮齿效应、静态沉陷及动态沉陷的机理,推导并建立了刚性筛网轮-土壤作用动力学模型。基于试验验证需求,研制了低重力模拟月壤,并设计了轻小型刚性筛网轮与低重力试验测试装置,以此为基础开展轮壤模型研究并根据试验结果对模型沉陷系数进行了修正。通过模型仿真与试验比对整体误差为3%,为巡视器动力学、静力学建模以及控制器设计、虚拟月面环境仿真系统搭建奠定了基础。在试验过程中,利用试验数据分析了功率系数与驱动效率,发现车轮驱动效率在滑转率0.2时最高,由此得出了滑转率控制模型设计的最佳控制区域。在上述运动学与轮-壤动力学模型基础上,建立了六轮摇臂巡视器静力学模型,对其爬越复杂地形状况进行了仿真试验分析,得到的最优牵引力与各轮滑转率可以进行车辆移动性能评判以及滑转率控制设计。同时,在整车动力学建模过程中,以巡视器空间位姿、各关节角度和六维力作为广义坐标,推导了非结构化环境下六轮摇臂巡视器的牛顿-欧拉递归方程,该方法具有模块化建模特点,便于其它有效负载的动力学模型构建。并以此为基础,进行巡视器非常规车辆的轮壤模型重载,实现了虚拟月面环境六轮摇臂巡视器动力学仿真系统的搭建,经验证效果良好,为后续巡视器控制系统仿真试验、通过性能验证等提供了平台。本文最后,基于前述六轮摇臂巡视器运动学、动力学模型进行了控制模型的研究。针对动力学模型参数不确定的非线性系统,建立了基于滑模变结构的滑转率控制模型,经仿真验证系统具有很强的鲁棒性能,能够有效提高移动系统的牵引性能。基于六轮摇臂巡视器运动学模型,建立了基于车轮滑转动力学模型的牵引控制模型,并利用线性二次型最优控制法对其求解。以此为基础,对多种复杂地形进行了仿真试验,该模型可高效控制各轮滑转率,增强了巡视器的爬坡能力、通过沟壑以及跨越障碍的能力,适用于巡视器的工程应用条件。综上,本研究成果可为六轮摇臂巡视器结构优化、控制器设计、准实时/高保真月面虚拟仿真奠定理论及试验基础,提供工程设计支撑。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
第一章绪论  11-26
  1.1 研究背景与意义  11
  1.2 国内外星球车发展现状  11-17
    1.2.1 国外星球车发展现状  11-15
    1.2.2 国内星球车研究现状  15-17
  1.3 非结构化环境巡视器建模及试验研究现状  17-24
    1.3.1 非结构环境下巡视器建模及控制方法研究  17-23
    1.3.2 月面巡视器动力学虚拟仿真系统现状  23-24
  1.4 存在的问题  24-25
  1.5 论文研究内容  25-26
第二章六轮摇臂巡视器运动学建模及仿真试验研究  26-48
  2.1 基于复杂环境的六轮摇臂巡视器原理样机  26-28
    2.1.1 非结构化复杂月面环境  26-27
    2.1.2 基于复杂环境的六轮摇臂巡视器原理样机  27-28
  2.2 移动系统运动学模型建立  28-37
    2.2.1 车体坐标系建立及变换矩阵  28-32
    2.2.2 轮地接触变换矩阵  32-33
    2.2.3 时序变换矩阵  33-34
    2.2.4 正运动学方程建立  34-37
  2.3 逆运动学模型及解析解求法  37-42
    2.3.1 转向驱动运动学模型  37-40
    2.3.2 巡视器逆运动学模型  40-41
    2.3.3 逆运动学模型解析解  41-42
  2.4 六轮摇臂巡视器运动学仿真试验  42-46
    2.4.1 车体-地面接触模型  43-45
    2.4.2 虚拟视景环境建立  45
    2.4.3 仿真试验结果分析  45-46
  2.5 本章小结  46-48
第三章六轮摇臂巡视器轮-壤作用动力学建模及仿真试验  48-73
  3.1 刚性轮-松软月面动力学模型建立  48-55
    3.1.1 土壤承压特性与沉陷量计算  48-50
    3.1.2 土壤的剪切特性与模型建立  50-51
    3.1.3 轮-壤作用动力学模型建立  51-55
  3.2 轮-壤作用动力学模型试验装置设计  55-57
    3.2.1 NFS-1轮壤作用试验装置  55
    3.2.2 NFS-1轮壤作用试验装置测控系统  55-56
    3.2.3 强制滑转率试验方法  56-57
  3.3 轮-壤作用动力学模型试验基本要素分析  57-64
    3.3.1 试验用低重力模拟月壤  57-59
    3.3.2 试验用巡视器刚性车轮  59-60
    3.3.3 基于试验趋势评价轮壤模型的有效性分析  60-62
    3.3.4 车轮重复作用对轮壤模型的影响分析  62-64
  3.4 轮-壤作用动力学模型修正  64-72
    3.4.1 轮-壤动力学模型仿真流程  64-65
    3.4.2 Reece模型分析及沉陷修正  65-69
    3.4.3 修正模型仿真与试验误差分析  69-71
    3.4.4 功率系数和驱动效率分析  71-72
  3.5 本章小结  72-73
第四章六轮摇臂巡视器本体动力学建模及仿真试验  73-101
  4.1 非结构化环境下巡视器静力学模型及仿真试验  73-83
    4.1.1 巡视器静力学模型  73-76
    4.1.2 基于运动学的矢径求解  76-78
    4.1.3 非线性方程优化条件分析  78-80
    4.1.4 六轮摇臂巡视器静力学仿真试验  80-83
  4.2 模块化巡视器牛顿-欧拉递归动力学建模  83-96
    4.2.1 模块化牛顿-欧拉递归动力学建模原理  83-89
    4.2.2 巡视器动力学建模假设条件及整车坐标系  89-91
    4.2.3 毗连相干坐标系位置六维位置及广义力向量  91-93
    4.2.4 各刚体间关节耦合矩阵  93-94
    4.2.5 巡视器非完整约束广义力运动方程  94-96
  4.3 六轮摇臂巡视器动力学虚拟仿真系统  96-100
    4.3.1 仿真系统设计流程及功能  96
    4.3.2 非常规车辆轮-壤修正模型重载及试验验证  96-99
    4.3.3 计算速度与地形分辨率的关系研究  99-100
  4.4 本章小结  100-101
第五章六轮摇臂巡视器控制模型研究与仿真试验  101-118
  5.1 基于轮-壤动力学模型的滑转率控制器设计与仿真试验  101-110
    5.1.1 滑模变结构控制原理  101-102
    5.1.2 基于轮-壤动力学的巡视器滑转率控制模型  102-104
    5.1.3 巡视器滑模变结构控制器设计  104-107
    5.1.4 滑模变结构控制系统仿真试验分析  107-108
    5.1.5 控制参数对控制性能的仿真试验  108-110
  5.2 基于运动学模型的滑转率控制器设计及仿真试验  110-117
    5.2.1 基于运动学的控制器设计原理  110
    5.2.2 轮地接触角估计方法研究  110-112
    5.2.3 基于滑转率的牵引控制模型建立  112-114
    5.2.4 基于控制模型的巡视器通过性仿真试验分析  114-117
  5.3 本章小结  117-118
第六章总结与展望  118-120
  6.1 总结  118
  6.2 创新点  118-119
  6.3 展望  119-120
致谢  120-121
参考文献  121-128
博士研究生期间发表的学术论文与参与科研项目  128

六轮摇臂巡视器建模仿真及试验研究

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