无人值守全地形轮式移动机器人逆境逃生机理与控制研究

研究无人值守全地形轮式移动机器人在逆境中的逃生机理与控制策略。星球探测和极地探测轮式移动机器人在执行探测任务时，由于车轮在松散介质（如沙地或雪地）上过度下陷，将引起运动性能快速降低，甚至丧失运动能力，使其处于一种逆境环境，如何保证其顺利逃离逆境，需要有完善的逃生理论与控制方法作为支撑。常规的移动机器人动力学分析理论及控制方法对于辅助机器人逆境逃生具有一定的限制。本项目围绕无人值守全地形轮式移动机器人在逆境中的逃生问题，研究轮下介质的流动机理，建立车轮滑转下陷量的数学模型，获得较完善的牵引力表达式，并对其进行简化处理，掌握其逃生的运动控制方法，在实验室内进行模拟不同逆境环境的逃生实验，验证理论分析与控制方法两项研究成果，为指导该类移动机器人在逆境下的逃生提供理论依据及控制方法，为星球探测及极地探测关键技术研究提供理论基础和技术储备。

无人值守全地形轮式移动机器人在执行探测任务时，由于车轮在松散介质（如沙地或雪地）上过度下陷，将引起运动性能快速降低，甚至丧失运动能力，使其处于一种逆境环境，如何保证其顺利逃离逆境，需要有完善的逃生理论与控制方法作为支撑。本项目围绕无人值守全地形轮式移动机器人在逆境中的逃生问题，基于地面力学理论及离散元仿真分析方法研究了轮下介质的流动机理，建立了车轮牵引和转向性能的力学表达式，研究了机器人最优驱动的机理，研究了模糊驱动控制、滑模驱动控制及模糊滑模驱动控制方法。模糊滑模驱动控制器具有响应时间较快、信号柔和、几乎无抖动等优点，更适合逆境下滑转率一直变化的轮式移动机器人控制。在实验室内进行了模拟不同逆境环境下车轮的运动性能实验，验证所取得的研究成果。同时，获得直齿片参数、斜齿片参数对车轮驱动性能的影响关系，以及车轮驱动性能随车轮滑转率的变化关系。实验结果表明，滑转率在45%左右时牵引性能达到最大值。当滑转率大于45%时，逐渐增加的下陷量引起车轮受到的总阻力增加，使牵引性能值逐渐下降。所取得的研究成果为指导该类移动机器人在逆境下的逃生提供理论依据及控制方法，为星球探测及极地探测的相关技术研究提供技术储备。