[發(fā)明專利]一種基于滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)的輪式月球車驅(qū)動控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210006809.6
• 申請日: 2012-01-10
• 公開（公告）號: CN102602547A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李琳輝;連靜;吳淑梅;李明;王文波;郭烈;王蒙蒙
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: B64G1/16
• 分類號: B64G1/16;B60W30/02;B60W40/10;B60W40/105
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.一種基于滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)的輪式月球車驅(qū)動控制方法，其特征在于：所述的驅(qū)動控制系統(tǒng)包括工況選擇模塊、滑轉(zhuǎn)率估計模塊、滑模變結(jié)構(gòu)控制模塊、PID速度控制模塊以及月球車系統(tǒng)，所述的月球車系統(tǒng)通過動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)分析得到車輪質(zhì)心的平動速度和車輪角速度，輸入到滑轉(zhuǎn)率估計模塊；滑轉(zhuǎn)率估計模塊計算各個車輪的滑轉(zhuǎn)率，輸入到滑模變結(jié)構(gòu)控制模塊中，作為滑模變結(jié)構(gòu)控制模塊的控制目標(biāo)對車輪的力矩進(jìn)行分配；最后將該分配力矩施加到各個車輪上，完成對車輪的驅(qū)動控制；所述的驅(qū)動控制方法具體包括以下步驟：

A、工況選擇以及控制目標(biāo)確定

A1、因月球車在加速或減速時需要將滑轉(zhuǎn)率控制在一定的范圍內(nèi)，以提高驅(qū)動效率，且在勻速行駛過程中需要適應(yīng)地形起伏，避免單輪滑轉(zhuǎn)過大導(dǎo)致的通過性及協(xié)調(diào)性變差，所以將月球車的行駛工況分為加速或減速工況和勻速行駛工況；

A2、加速或減速工況下控制目標(biāo)的確定

為了保證月球車在加速時車輪具有足夠大的驅(qū)動力矩和較高的驅(qū)動效率，需要將各個車輪的滑轉(zhuǎn)率控制在驅(qū)動效率最佳的范圍內(nèi)；

A3、勻速行駛工況下控制目標(biāo)的確定

勻速行駛工況下，為了使車輪滑轉(zhuǎn)率得到有效控制，從而降低車體能量損耗、提高車體的通過性和驅(qū)動協(xié)調(diào)性能；選擇各輪滑轉(zhuǎn)率的平均值為控制目標(biāo)，若單輪滑轉(zhuǎn)率過高，說明針對固定支反力N的車輪牽引力F過大，降低滑轉(zhuǎn)率也就減少了不必要的車輪牽引力的消耗；若滑轉(zhuǎn)率過小，說明針對固定支反力N的牽引力F過小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地面所能給予的牽引力，為了成功穿越溝壕或是陡坡等崎嶇地形，需要增大滑轉(zhuǎn)率以提高地面牽引力，提高月球車在崎嶇地面的通過性能；

B、車輪滑轉(zhuǎn)率估計

B1、首先對車輪滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行定義，因月球車的各項運(yùn)動參數(shù)和指標(biāo)均與滑轉(zhuǎn)率有關(guān)，所以滑轉(zhuǎn)率成為了研究的重點，其定義如下：

λ=rw-vrw(rw>v)rw-vv(rw<v)---(1)]]>

其中，λ為車輪滑轉(zhuǎn)率，r代表車輪半徑，w代表車輪角速度，v代表車輪質(zhì)心的平動速度；

B2、針對步驟A確定好的控制目標(biāo)，對其進(jìn)行精確估計；首先，選擇視覺里程計來估計車輪質(zhì)心的平動速度；其次，利用車輪速度傳感器來實時測量車輪的速度；最后利用公式(1)計算各個車輪的滑轉(zhuǎn)率；

C、月球車系統(tǒng)模型的建立

研究對象為六輪搖臂-轉(zhuǎn)向架式月球車，由車體(9)、懸架機(jī)構(gòu)和六個車輪組成，懸架結(jié)構(gòu)由左右側(cè)對稱的搖臂(7)和轉(zhuǎn)向架(8)組成，每個車輪上均安裝有等型號的驅(qū)動電機(jī)，左側(cè)的左前輪(1)、左中輪(3)和左后輪(5)三個車輪序號分別為1、3和5，右側(cè)的右前輪(2)、右中輪(4)和右后輪(6)三個車輪序號分別為2、4、6；考慮車體的縱向運(yùn)動，對六輪月球車的單側(cè)模型進(jìn)行受力分析，列出其動力學(xué)方程如下：

mv·=Σi=1,3,5(FHi-FRi)Iww·i=Ti-Tri(i=1,3,5)---(2)]]>

其中，m為月球車整體質(zhì)量M的1/2，F(xiàn)_Hi為第i輪的土壤推力，F(xiàn)_Ri為第i輪的土壤阻力，T_ri為地面施加給車輪i的阻力矩，I_w為單個車輪繞輪軸心的轉(zhuǎn)動慣量，w_i為車輪i的角速度，T_i為由驅(qū)動器施加給車輪i的驅(qū)動力矩，其中下標(biāo)i在全文中均為單側(cè)車輪的標(biāo)號；

對(1)式進(jìn)行求導(dǎo)，并將(2)式代入得如下公式：

λ·=f(λ,v)+B(λ,v)·u---(3)]]>

其中，λ＝[λ₁，λ₃，λ₅]^T，u＝[T₁，T₃，T₅]^T，f(λ，v)＝[f₁(λ，v)，f₃(λ，v)，f₅(λ，v)]^T，fi(λ,v)=-(1-λi)[Σi=1,3,5FHi-Σi=1,3,5FRi]/Mv-r(1-λi)2Tri/Iwv,]]>B_i(λ，v)＝r(1-λ_i)²/I_wv，I＝1、3、5；

D、車輪分配力矩T_i的計算

D1、依據(jù)步驟C建立的模型，利用滑模變結(jié)構(gòu)控制算法計算各車輪分配力矩u_i，具體步驟如下：

D11、勻速行駛工況下的控制目標(biāo)為各輪平均滑轉(zhuǎn)率加速行駛工況下的控制目標(biāo)為期望滑轉(zhuǎn)率λ_d；根據(jù)滑模控制理論，加速時取系統(tǒng)狀態(tài)偏差為e_i＝λ_i-λ_d，勻速行駛時取系統(tǒng)狀態(tài)偏差為選取切換函數(shù)：

si=r1iei+r2ie·i---(4)]]>

其中λ_i為車輪i，i＝1～6的滑轉(zhuǎn)率，各車輪滑轉(zhuǎn)率的平均值，為系統(tǒng)狀態(tài)偏差的一階導(dǎo)數(shù)，r_1i，r_2i為常數(shù)權(quán)重系數(shù)；

D12、因兩種工況下滑模控制理論相同，僅系統(tǒng)狀態(tài)偏差不同，所以此處以勻速行駛工況為例，根據(jù)滑模控制理論，如果達(dá)到理想的滑動模態(tài)控制，則等效控制表示為聯(lián)合(4)式與有：

s·i=r1iλ·i-r1iλ‾·+r2iλ··i-r2iλ‾··=0---(5)]]>

為了滿足滑模變結(jié)構(gòu)控制的到達(dá)條件，且以最短時間到達(dá)滑模面并保證系統(tǒng)具有良好的魯棒性，同時盡量削弱到達(dá)時產(chǎn)生的抖振，采用指數(shù)趨近律表達(dá)形式：

s·i=-ϵsgnsi-ksi---(6)]]>

ε＞0和k＞0為控制參數(shù)；為了保證削弱抖振同時也能夠快速趨近，在減少ε的同時增大k的數(shù)值，其中符號函數(shù)sgn(s)公式為

sgn(s)=1,s>00,s=0-1,s<0]]>

將(3)式帶入到(5)式中得：

s·i=r1i(fi(λ,v)+Bi(λ,v)·ui)-r1iλ‾·+r2iλ··i-r2iλ‾··---(7)]]>

聯(lián)合(6)和(7)式，得到滑模變結(jié)構(gòu)控制模塊的設(shè)計結(jié)果如下：

ui=ϵ|si|sgn(si)+ksi-r1iλ‾+r2iλ··l-r2iλ‾··+r1i·fi(λ,v)r1i·Bi(λ,v)---(8)]]>

u_i即為滑模變結(jié)構(gòu)控制模塊的輸出量；

D2、計算PID速度控制模塊的輸出量T_v

用PID速度控制算法使月球車按期望速度v_d行駛；令系統(tǒng)偏差為e＝v_d-v_cheti，得PID速度控制模塊方程為：

Tv=Kp·e+Kd·e·+Ki·∫edt---(9)]]>

其中v_cheti為月球車車體實際行駛速度，K_p為比例系數(shù)，K_i為積分系數(shù)，K_d為微分系數(shù)，控制過程中可對三個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修改，T_v為PID速度控制模塊的輸出量；

D3、根據(jù)車輪分配力矩的計算公式T_i＝u_i+T_v，即可得到月球車各個車輪的分配力矩T_i。