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基于滑转补偿的月球车轨迹跟踪控制算法

更新时间：2019-12-29 20:51:33 大小：1M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：轨迹跟踪控制 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

针对月球车轨迹跟踪问题,研究提出了六轮摇臂-转向架式月球车的基于滑转补偿的轨迹跟踪控制算法.为防止在轨迹跟踪过程中车轮滑转、下陷现象的发生,该控制算法采用新型指数趋近律的滑模控制对月球车车轮的滑转进行补偿;通过分析月球车的运动学模型和月球车的驱动系统辨识建立被控系统的状态空间模型,采用最优控制算法对其在崎岖路面的轨迹进行跟踪控制.最后,在ADAMS与Matlab/SIMULINK联合仿真环境下进行了仿真试验.结果表明,该算法可以在实现轨迹跟踪的基础上,降低月球车在崎岖路面各轮的滑转率差异,从而减少内力消耗,提高车体的通过性能,使月球车在软土环境下运动更加协调.

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V01．18 No．1

第18卷第1期

电

机

与

控

制

学

报

Machines and Control

Electri

Jan．2014

2014年1月

基于滑转补偿的月球车轨迹跟踪控制算法

李琳辉1’2，

连静1’2，

王蒙蒙2，王文波2，吴淑梅2

(1．大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连116024；

(2．大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连116024)

摘要：针对月球车轨迹跟踪问题，研究提出了六轮摇臂一转向架式月球车的基于滑转补偿的轨迹

跟踪控制算法。为防止在轨迹跟踪过程中车轮滑转、下陷现象的发生，该控制算法采用新型指数趋

近律的滑模控制对月球车车轮的滑转进行补偿；通过分析月球车的运动学模型和月球车的驱动系

统辨识建立被控系统的状态空间模型，采用最优控制算法对其在崎岖路面的轨迹进行跟踪控制。

最后，在ADAMS与Matlab／SIMUuNK联合仿真环境下进行了仿真试验。结果表明，该算法可以在

实现轨迹跟踪的基础上，降低月球车在崎岖路面各轮的滑转率差异，从而减少内力消耗，提高车体

的通过性能，使月球车在软土环境下运动更加协调。

关键词：月球车；轨迹跟踪控制；滑转补偿；滑模控制器；最优控制器

中图分类号：11P24

文献标志码：A

文章编号：1007—449X(2014)01—0105—07

control based on the

for lunar rover

Trajectory

tracking

slip compensation

WANG _{Meng．men92，}WANG

WU Shu．mei2

^Lin．hui1”，LIAN

Wen—b02，

Jin91”，

ofStructural

for Industrial

Technology，Dalian ¹16024，China；

(1．State Key Laboratory

Analysis

Equipment，Dalian University

2．School of Automotive

Engineering，Dalian University

Technology，Dalian 116024，China)

and

control

based on the

Abstract：To

wheels，a

prevent slippage

sinkage

trajectory tracking

algorithm

for wheeled lunar rover with Rocker

and described in this

slip compensation

Bo舀e

proposed

paper．

kinematics

order to

This

and

used the

law to

approach

the traction force．The

model of the

algorithm

traction

improved exponential

optimize

identification was

analyzed

build the

system

state—space

system．In

validate the

was controlled

controller．The CO-simu—

by optimal

proposed algorithm，the trajectory tracking

lations between ADAMSand Matlab／SIMULINK were carried out．Simulation results demonstrate the ef-

fectiveness of

the basis of

ratios’differences，lower

reducing slip

the

power consumption，and mobility improvement

the motion of lunar rover is more flexible and harmoni-

realizing

trajectory tracking．And

OUS with the

proposed algorithm．

mode

controller；

words：lunar

Key

tracking

rover；trajectory

control；slip compensation；sliding

controller

optimal

收稿日期：2012—04—19

基金项目：国家自然科学基金(51107006，61203171)；中国博士后科学基金(2012M510799，2013T60278)；中央高校基本科研业务费专项资金资

助(DUTl2JS03，DUTl2JR04)

作者简介：李琳辉(1981一)，男，博士，讲师，研究方向为智能车辆等；

连静(1980一)，女，博士，讲师，研究方向为汽车电子等；

王蒙蒙(1988一)，女，硕士研究生，研究方向为智能车辆等；

王文波(1989一)，男，硕士研究生，研究方向为智能车辆等；

吴淑梅(1986一)，女，硕士，研究方向为智能车辆等。

通讯作者：连静

万方数据

106

电机与控制学报

第18卷

性和驱动协调性能。所以，为了在实现月球车轨迹

跟踪的同时，使车轮的滑转率得到有效控制，本文以

六轮摇臂一转向架式月球车为研究对象，提出了一

种基于滑转补偿的轨迹跟踪控制算法：一方面研究

基于新型指数趋近律的滑模控制算法对月球车车轮

的滑转进行了有效的补偿，另一方面在驱动系统辨

识的基础上，设计了用于跟踪期望轨迹的最优控制

器；最后，通过在ADAMS下构造不同的三维环境验

证算法的有效性，证明该算法可以在保证跟踪期望

引

言

由于月球车的工作环境恶劣，地形复杂且存在

很多的不确定性，极易陷入危险和错误环境，导致不

能完成规定的考察任务，因此需要对月球车进行轨

迹跟踪控制。同时，在松软环境下车轮滑转增加使

得月球车跟踪期望轨迹变的相当困难，因此有必要

考虑车轮滑转并控制车体跟踪期望轨迹，以减少其

在行走过程中的内力损耗，进一步达到节省能量，延

长工作时间的目的。

轨迹的基础上，降低车体的能耗，提高车体的通过性

和驱动协调能力。

为改善月球车在崎岖地形中各轮相互“打架”

的情况并降低能量消耗，Karl

Iagnemma等设计了优

1月球车系统建模

化力矩控制方法对四轮漫游车进行控制，采用倾角

仪和扩展卡尔曼滤波器估计轮地夹角，效果比较显

著，但是没有考虑车轮负载对车体驱动力矩的影

1．1轮壤作用力模型

以单个车轮为对象，研究轮壤作用关系，假设整

个车轮相对地面是刚性的，图1给出了刚性车轮在

软土路面上的受力情况，以此为基础，本文计算并优

化了车轮与土壤接触过程中的作用力。在图1中，

t，F，为摇臂或转向架铰对车轮的作用力，Ⅳ为地

面对车轮的支反力，r为施加到车轮上的牵引力矩，

R为土壤推力，F。为运动阻力，r为车轮的半径，z

为车轮下陷量。设№为地面的静摩擦系数，p为动

摩擦系数，当车轮纯滚动时，车轮受到的力为静摩擦

响【l-2]。Pierre

LABOR等研究了复杂地形中优化力

矩的控制方法。该方法通过给出一些约束条件求得

最优解，可降低滑转率，增大牵引力，但是约束求最

优解的过程是相当繁琐的∞-4]。Kazuya Yoshida等

研究了基于滑转率的牵引力控制方法。滑转率作为

一个主要状态变量出现在该牵引力控制算法中，在

车轮发生滑转的情况下，利用PI控制可使车轮滑转

保持一个较小值，期望通过限制各车轮滑转率以达

到多个车轮协调驱动的目的，控制器比较简单，控制

目标比较单一怕j。与Kazuya Yoshida不同，Mongkol

Thianwiboon等基于移动式机器人的运动学模型研

究了车轮牵引力的控制方法。但是，其建模过程相

当复杂，也忽略了车体的动态性能∞J。Damien

力，大小为F。。。。j。=／．t。Ⅳ；当车轮与地面有相对运动

(有打滑现象)时，摩擦力变为Fm。。i。=wv。

Lhomme—Desages等基于月球车动力学模型和轮壤

接触模型给出了基于车轮滑转率的PID控制方法，

重点放在了多普勒雷达测量车体速度上，对控制算

法的研究较少¨ J。

图1软土对刚性车轮的作用力图

作为一类典型的移动机器人，轮式月球车轨迹

跟踪控制问题已引起人们广泛的关注。大量学者对

其进行了研究[8-lo]。Rezaei等研究了一种在室外

Forces and

wheel

rigid

Fig．1

torques acting

每个车轮产生的挂钩牵引力FD，为该车轮所受

到的土壤推力n与土壤阻力F。之差H1|。即

环境下，利用SLAM算法对月球车进行在线轨迹跟

踪的策略，但工作侧重点为轨迹规划哺J。Helmick

等开发了一种利用视觉里程计与卡尔曼滤波来进行

滑转补偿的轨迹跟踪算法，但是其轨迹跟踪精度仍

有待提高一J。Genya Ishigami等进行了行星探测车

的横穿斜坡实验，在侧滑严重的情况下对车体的侧

滑进行了补偿，提高了车体轨迹跟踪的精确度。但

是侧滑发生的条件比较有限不具有代表陛¨ 0|。

从上述研究及有关通过性的评价指标可以看

出，滑转率的有效控制可降低能耗，提高车体的通过

(1)

FDP=FH—FR。

对土壤阻力F。而言，其由推土阻力F。和压实

阻力F。组成，即

FR=Fb+F。。

(2)

由于在实际工况中，车轮所能产生的牵引力受

到车轮和地面附着条件的限制，因此在任何时候都

应使FDP 肛oN。

记％为车轮在松软路面上受到的滚动阻力矩，

可表示成

万方数据

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