火星巡视器动力学建模研究与仿真平台实现

徐 颢，居鹤华，余 萌，顾 朋

（1.南京航空航天大学航天学院，南京210016；2.北京控制工程研究所，北京100190）

目前，火星已经成为世界上各个国家主要的探索对象[1]。火星巡视器上装载了多种科学仪器，是人类执行火星表面探测任务的重要载体。由于火星表面环境具有复杂性与不确定性，巡视器应具备穿越各种崎岖地形的能力，从而保证火表探测工作的可靠性[2]。例如：美国的“机遇号”火星巡视器因车轮陷入沙土而无法动弹[3]；“好奇号”火星巡视器自2012 年8 月登陆火星至2013 年10 月执行科学探测任务期间，车轮本体结构破损严重[4]。因此，针对防止巡视器发生结构性破坏以及巡视器的运行状态等问题，国内外学者对行星巡视器的运动学、动力学等问题进行了大量深入的研究。

Yoshida 等[5]从轮土力学和铰接体动力学两方面出发研究了行星车的动力学问题，建立了悬架机构的动力学仿真模型；以车轮滑移率为状态变量，在行星车试验台上进行了实验研究。为了研究在崎岖地形中的高速移动机器人的行为控制方法，Iagnemma 等[6]开发了一套动力学软件，该软件采用四阶龙格库塔法求解以“牛顿⁃欧拉”分析动力学方法建立的非线性多阶常微分方程，并以四轮移动机器人为例，进行了仿真和实验。Lindemann[7]通过动态测试模型（Dynamic test model, DTM）评估了火星巡视器在模拟火星环境中的移动特性，同时在ADAMS 软件中建立了巡视器的动力学模型并给出了仿真结果。居鹤华等[8]研究了六轮摇臂式月面巡视器在复杂月面环境下的动力学建模问题，采用牛顿⁃欧拉法建立了巡视器动力学模型，利用开发的三维仿真平台对建立的动力学模型进行了验证。……