黃郁馨,王彤宇,林琳

（1.長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,吉林長春 130022；2.中國北方車輛研究所,北京 100072）

基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的移動(dòng)系統(tǒng)滑轉(zhuǎn)率控制

黃郁馨1,2,王彤宇1,林琳1

（1.長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,吉林長春 130022；2.中國北方車輛研究所,北京 100072）

月球車移動(dòng)系統(tǒng)在行駛過程中其行駛參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化,采用傳統(tǒng)的控制方法往往不能保證在任何情況下都能得到最佳的控制效果,魯棒性較差。滑模變結(jié)構(gòu)是一類特殊的非線性控制方法,它對(duì)系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力,因此魯棒性很強(qiáng),并且具有算法簡單易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。根據(jù)移動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型及滑模變結(jié)構(gòu)控制理論,建立基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的月球車移動(dòng)系統(tǒng)滑轉(zhuǎn)率控制的控制邏輯和控制算法,將其應(yīng)用于月球車移動(dòng)系統(tǒng)的滑轉(zhuǎn)率控制中,并通過仿真結(jié)果分析證明該種控制方法具有較好的控制效果。分析了變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的控制特性,為月球車滑轉(zhuǎn)率控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

控制科學(xué)與技術(shù)；移動(dòng)系統(tǒng)整車模型；滑轉(zhuǎn)率控制；滑模變結(jié)構(gòu)控制

0 引言

月球車移動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪的過渡滑轉(zhuǎn)與整車特性、車輪特性及整車行駛條件等諸多因素有關(guān),而這些因素具有明顯的非線性、時(shí)變性和不確定性[1]。傳統(tǒng)的控制方法如PID控制,其原理簡單,應(yīng)用比較成熟,實(shí)現(xiàn)非常容易,但是PID控制的參數(shù)受被控系統(tǒng)的影響較大,在不同的條件下,其最優(yōu)的PID參數(shù)也不相同,而月球車在行駛過程中其行駛參數(shù)將經(jīng)常發(fā)生變化,這使得采用傳統(tǒng)的控制方法往往不能保證在任何情況下都能得到最佳的控制效果,即魯棒性較差。

滑模變結(jié)構(gòu)控制是變結(jié)構(gòu)控制中的一種控制策略[2]。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)（VSS）是一類特殊的非線性控制方法,它對(duì)系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力[3]。這種控制方法已經(jīng)應(yīng)用于過程控制、機(jī)器人控制、飛機(jī)系統(tǒng)控制、衛(wèi)星姿態(tài)控制等許多領(lǐng)域。

滑模變結(jié)構(gòu)控制與其他控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性,即具有使系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”隨時(shí)變化的開關(guān)特性。該特性可以迫使系統(tǒng)在一定條件下,沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡作小幅高頻的上下運(yùn)動(dòng),即“滑?！边\(yùn)動(dòng),這就使控制者與被控系統(tǒng)的參數(shù)變化及外部擾動(dòng)無關(guān),具有良好的魯棒性[4-5]。但是,滑模變結(jié)構(gòu)控制在本質(zhì)上的不連續(xù)性將會(huì)引起系統(tǒng)的一種“抖振”[6]。對(duì)于一個(gè)現(xiàn)實(shí)的滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng),控制力總是受到限制,從而使系統(tǒng)的加速度有限；另外,系統(tǒng)的慣性、切換開關(guān)的時(shí)間滯后以及狀態(tài)檢測的誤差等都將會(huì)在光滑的滑動(dòng)模態(tài)上疊加一個(gè)鋸齒形的軌跡[7-8]。所以在實(shí)際中,抖振是必定存在的。要想從根本上完全消除抖振是不可能的,消除了抖振也就消除了滑模變結(jié)構(gòu)控制的抗攝動(dòng)和抗擾動(dòng)能力,因此只能削弱抖振的幅度。

本文主要對(duì)月球車移動(dòng)系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)滑轉(zhuǎn)率控制進(jìn)行研究,結(jié)合整車移動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型,推導(dǎo)和設(shè)計(jì)滑轉(zhuǎn)率控制的滑模變結(jié)構(gòu)控制器,建立基于滑模變結(jié)構(gòu)控制理論的控制邏輯和控制算法。根據(jù)移動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型和控制策略,運(yùn)用Matlab/ Simulink建立系統(tǒng)仿真模型,進(jìn)行移動(dòng)系統(tǒng)滑轉(zhuǎn)率控制的仿真計(jì)算和分析。

1 整車移動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

動(dòng)力學(xué)建模是為了明確月球車在確定的力或力矩作用條件下車體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這是驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)的前提。在動(dòng)力學(xué)建模過程中,要考慮車體（包括有效載荷）的質(zhì)量、慣量,月球表面輪與月壤間作用力關(guān)系以及各種作用力如何計(jì)算等因素,通過經(jīng)典Newton力學(xué)理論建立月球車移動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[9]。

圖1所示,移動(dòng)系統(tǒng)由6個(gè)具有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向功能的剛性車輪、3組平衡肘式懸架和3個(gè)鉸接承載機(jī)構(gòu)組成,構(gòu)成新型的平衡-鉸接復(fù)合式移動(dòng)構(gòu)型。該方案將6個(gè)剛性車輪分布排列在探測器兩側(cè),左右輪對(duì)稱布置,保障均勻的車輪靜態(tài)載荷；后兩輪形成橫向平衡肘式懸架,前4輪雙側(cè)形成縱向平衡肘式懸架對(duì)稱布置在儀器艙兩側(cè),全部懸架均采用4連桿式平衡肘懸架,以保障復(fù)雜地面環(huán)境下動(dòng)態(tài)行駛過程中車輪載荷的垂直分布。

圖1 月球車移動(dòng)系統(tǒng)模型Fig.1 Model of lunar rover locomotion system

月球車著陸點(diǎn)一般選在較為平坦的月面上,因此,建立月球車在平坦地形的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。月球車在平坦地形運(yùn)動(dòng)時(shí),由于俯仰、翻滾等運(yùn)動(dòng)變化較小,在實(shí)際控制中可將其簡化為近似平面運(yùn)動(dòng)模型。平面運(yùn)動(dòng)時(shí),月球車有其固有的運(yùn)動(dòng)特性,可將平面運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)、繞半徑轉(zhuǎn)彎和原地差速轉(zhuǎn)彎幾種模式[10]。本文主要針對(duì)直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析,故做如下假設(shè)：1）所有車輪均視為剛性車輪且各車輪質(zhì)量特性和幾何尺寸完全相同；2）月球車直線前行,不考慮橫向運(yùn)動(dòng)；3）車體結(jié)構(gòu)對(duì)稱,只考慮1/2車體模型；4）月球車近似在水平平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),各車輪輪心的縱向速度近似等于車體質(zhì)心的縱向速度；5）不考慮由于車身的側(cè)傾而引起的同軸左右車輪之間的載荷轉(zhuǎn)移；6）不考慮行駛過程中車身的俯仰和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)。

移動(dòng)系統(tǒng)1/2模型的受力分析圖可簡化為圖2所示,Fn表示地面對(duì)車輪的法向支撐力,T1、T2、T3分別表示驅(qū)動(dòng)電機(jī)施加在各車輪上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,G表示月球車移動(dòng)系統(tǒng)的重量,v為月球車的行駛速度。Fdp表示驅(qū)動(dòng)車輪所產(chǎn)生的掛鉤牽引力,其定義為土壤推力減去土壤阻力,即

式中：Ft表示土壤對(duì)車輪的推力；Fr為土壤對(duì)車輪的阻力,包含剛性車輪壓實(shí)土壤所產(chǎn)生的壓實(shí)阻力Frc與驅(qū)動(dòng)輪由于滑轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的附加滾動(dòng)阻力Frs.

根據(jù)貝克公式推導(dǎo)可得

圖2 1/2月球車移動(dòng)系統(tǒng)對(duì)稱模型受力分析圖Fig.2 1/2 force analysis of symmetric model of lunar rover locomotion system

式中：c為土壤內(nèi)聚力；b為輪寬；l為車輪接地面積長度；W為車體施加給車輪的垂直載荷；φ為土壤內(nèi)摩擦角；kx為土壤在x軸方向上的剪切變形模量；s表示車輪滑轉(zhuǎn)率。剛性車輪壓實(shí)阻力,可作為沉陷量的函數(shù)[9]表示為式中：z0為車輪垂直載荷引起的車輪靜態(tài)下陷量；n為土壤的沉陷指數(shù)；K為土壤變形模量。

Frs隨車輪滑轉(zhuǎn)率的增加而增大,當(dāng)車輪的滑轉(zhuǎn)率0≤s＜1時(shí),其近似計(jì)算公式為[8]式中：Fp為車輪的圓周力,等于驅(qū)動(dòng)輪上的作用力矩除以車輪半徑r.

而當(dāng)車輪滑轉(zhuǎn)率為1,即車輪空轉(zhuǎn)情況下,此時(shí)車速為0,滑轉(zhuǎn)產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力與壓實(shí)阻力的和將與土壤推力一致,使地面作用在車體上的合力為0,避免在計(jì)算中發(fā)生車速為負(fù)值的情形,即滑轉(zhuǎn)產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力計(jì)算公式應(yīng)為

由受力分析得出月球車移動(dòng)系統(tǒng)1/2模型直線行駛的動(dòng)力學(xué)方程為

式中：m=m′/2,m′為月球車移動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量；si為各車輪的滑轉(zhuǎn)率；Iwi表示各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tti、Tri、Trci表示各個(gè)車輪所受到的各種力矩。

由于si是v和ωi的非線性函數(shù),因此上述動(dòng)力學(xué)方程是一組非線性耦合方程。根據(jù)滑轉(zhuǎn)率的定義

又由各車輪所受的土壤推力Fti、土壤阻力Fri和阻力矩Tri都是滑轉(zhuǎn)率si的函數(shù),因此可將（11）式整理成月球車移動(dòng)系統(tǒng)滑轉(zhuǎn)率控制的控制模型

2 滑模變結(jié)構(gòu)控制在月球車移動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)建立的月球車移動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型可以看出,月球車動(dòng)力學(xué)模型中存在難以準(zhǔn)確獲知的月面環(huán)境參量,如土壤的粘聚模量kc、土壤的摩擦模量kφ、內(nèi)聚力系數(shù)c、內(nèi)摩擦角φ等,因此月球車動(dòng)力學(xué)方程（12）式中的函數(shù)f（x,v）和B（x,v）均是不能精確已知的非線性函數(shù),對(duì)于這樣的存在參數(shù)不確定性的非線性系統(tǒng),采用滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種簡便有效的方法。

在實(shí)現(xiàn)月球車移動(dòng)系統(tǒng)滑轉(zhuǎn)率的滑模變結(jié)構(gòu)控制時(shí),將滑轉(zhuǎn)率s作為控制目標(biāo),設(shè)控制目標(biāo)即理想滑轉(zhuǎn)率為sa,則誤差e=s-sa,那么滑模變結(jié)構(gòu)控制月球車移動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)實(shí)質(zhì)上就是調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪的實(shí)際縱向滑轉(zhuǎn)率與目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率的差值,并使之趨于0.選取切換函數(shù)為

式中：C為待定系數(shù),C＞0.

如果以縱向滑轉(zhuǎn)率s和其導(dǎo)數(shù)構(gòu)成一個(gè)相平面,則切換線是斜率為-C,且過點(diǎn)（sa,0）的直線。變結(jié)構(gòu)控制的目標(biāo)就是選取合適的控制變量,使月球車在驅(qū)動(dòng)過程中,按一定的控制規(guī)律使其相軌跡（s,s·）能夠沿切換線滑向控制目標(biāo)（sa,0）.

根據(jù)定義,驅(qū)動(dòng)時(shí)車輪的滑轉(zhuǎn)率

通過（13）式～（17）式可以看出,如果將各式代入進(jìn)行求解,將使不等式變得非常復(fù)雜,分析非常困難,而且可能得不出應(yīng)有的結(jié)果。采用趨近率控制滿足廣義滑模條件,而且是一個(gè)等式,只要確定合適的參數(shù)就很容易設(shè)計(jì)出變結(jié)構(gòu)控制器。下面采用指數(shù)趨近率控制進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。

1）當(dāng)m（s）＞0時(shí),

式中：ε為等速趨近律,ε＞ 0；k為指數(shù)趨近階次, k＞0.

同理可以得到

3 滑模變結(jié)構(gòu)控制的月球車滑轉(zhuǎn)率控制系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真結(jié)果分析

建立基于滑模變結(jié)構(gòu)控制理論的指數(shù)趨近控制規(guī)律下的月球車移動(dòng)系統(tǒng)滑轉(zhuǎn)率控制的控制邏輯與算法,結(jié)合月球車移動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,采用Matlab/Simulink軟件建立月球車滑轉(zhuǎn)率控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型,并對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行分析。仿真的流程圖如圖3所示?；ぷ兘Y(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)仿真模型和PID控制系統(tǒng)仿真模型如圖4、圖5所示。

圖3 滑轉(zhuǎn)率控制仿真流程框圖Fig.3 Simulation flow diagram of slip ratio control

圖4 VVS控制系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of VVS control system

基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的月球車滑轉(zhuǎn)率控制系統(tǒng)仿真分析,設(shè)定控制器參數(shù)為：C=15,ε=10, k=5.球車移動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)為：m=m′/2= 60 kg；單輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Iw1=Iw2=Iw3=0.06 kg·m2；仿真中所采用的模擬月壤特性參數(shù)為：q0= 0.037 5,kx=0.036 m,c=800 N/m2,φ=37.2°,n= 1.0,kc=1.37 kN/mn+1,kφ=814 kN/mn+2,g= 1.633 33 m/s2.根據(jù)樣車的輪壤通過性試驗(yàn)得出,驅(qū)動(dòng)輪的縱向滑轉(zhuǎn)率理想值控制在0.3左右時(shí),能夠既防止驅(qū)動(dòng)輪過度滑轉(zhuǎn),又使驅(qū)動(dòng)輪獲得最大的驅(qū)動(dòng)效率[11]。仿真計(jì)算結(jié)果如圖6～圖11所示。

由圖6可以看到,VVS控制狀態(tài)下,將滑轉(zhuǎn)率控制在理想值sa=0.3附近時(shí),控制的響應(yīng)很快,控制過程也很平穩(wěn)。而PID控制狀態(tài)下,月球車驅(qū)動(dòng)輪發(fā)生過度滑轉(zhuǎn),其滑轉(zhuǎn)率接近為1.

圖7為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的控制曲線,在車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)的情況下,輸出轉(zhuǎn)矩由4.5 N·m降低到約2.8 N·m,從而抑制了車輪的過度滑轉(zhuǎn)并使滑轉(zhuǎn)率保持在理想值。同時(shí),仿真結(jié)果也表明,通過采用趨近率控制方法使“抖振”的影響得到了削弱,由控制轉(zhuǎn)矩的開關(guān)切換所產(chǎn)生的“抖振”現(xiàn)象對(duì)控制結(jié)果的影響并不明顯。

圖8是車輪的旋轉(zhuǎn)角速度控制曲線,從圖8可以看出,VVS控制狀態(tài)下,角速度上升的趨勢得到抑制,有效避免了車輪發(fā)生高速空轉(zhuǎn)的情況。

圖5 PID控制系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of PID control system

圖6 車輪滑轉(zhuǎn)率控制曲線Fig.6 Control curves of wheel slip ratio

圖9為車速的控制曲線,由圖9可以看出,PID控制狀態(tài)下車速僅相當(dāng)于VVS控制狀態(tài)下車速的約50%,驅(qū)動(dòng)輪上所施加的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩也較PID控制時(shí)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩大大降低,可見當(dāng)采取滑模變結(jié)構(gòu)控制滑轉(zhuǎn)率時(shí),月球車的驅(qū)動(dòng)效率大大得到了提高。

圖10是車輪沉陷量的控制曲線,由圖10可以看出,VVS控制狀態(tài)下各車輪的沉陷量得到了抑制并較快地趨于穩(wěn)定值,避免了車輪的過度滑轉(zhuǎn)下陷。

圖7 驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力矩控制曲線Fig.7 Control curves of driving torque for each drive-wheel

圖11為滑模變結(jié)構(gòu)控制的相軌跡圖,正如前面的分析,在控制過程中,其相軌跡（s,ds）將迅速趨于切換線,并在到達(dá)切換線之后將沿切換線快速滑向設(shè)定的理想值（sa,0）,從而達(dá)到控制的要求。

3.2 主要參數(shù)對(duì)控制性能的影響

滑模變結(jié)構(gòu)控制器中參數(shù)較多,分析變結(jié)構(gòu)控制器中主要參數(shù)對(duì)控制性能的影響。

3.2.1 切換面參數(shù)值C的影響

圖8 車輪旋轉(zhuǎn)角速度控制曲線Fig.8 Control curves of wheel rotation angular velocity

圖9 整車速度控制曲線Fig.9 Control curves of vehicle speed

圖10 車輪沉陷量控制曲線Fig.10 Control curves of wheel subsidence

參數(shù)C值表示切換線的負(fù)斜率,不同的C表示不同的切換線,系統(tǒng)的相軌跡將沿不同的切換線滑向目標(biāo)值,而對(duì)其控制效果基本無多大影響。取C值分別為5和15,對(duì)兩種情況進(jìn)行仿真,其余各參數(shù)相同。仿真結(jié)果如圖12、圖13所示。

從相軌跡比較圖13不難看出,隨著C的改變其切換線的斜率也將隨之改變,從而改變相軌跡的形狀,但當(dāng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)到達(dá)切換線后都將沿著切換線滑向目標(biāo)值（sa,0）,所以對(duì)其控制效果無多大改變,這一點(diǎn)可以從圖13滑轉(zhuǎn)率的控制曲線上明顯地看出。

3.2.2 等速趨近率ε的影響

圖11 變結(jié)構(gòu)控制相軌跡和切換線Fig.11 Phase locus and switching line of variable structure control

圖12 相軌跡與切換線Fig.12 Phase locus and switching line

圖13 驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率控制曲線Fig.13 Control curves of driving wheel slip ratio

等速趨近率ε表示系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)趨近切換線m（s）=0的速率,ε小,趨近速度慢,ε大,趨近速度快。ε被稱為趨近速率常數(shù)。圖14、圖15為對(duì)ε兩種情況的仿真結(jié)果,ε分別對(duì)應(yīng)1和10兩種情況,其余各參數(shù)相同。

從上面的仿真結(jié)果可以看出,ε的變化會(huì)改變相軌跡的路線,當(dāng)ε較大時(shí),運(yùn)動(dòng)點(diǎn)可以較快的到達(dá)切換線并沿切換線滑向控制目標(biāo),而較小時(shí),運(yùn)動(dòng)點(diǎn)需經(jīng)過一段較長的運(yùn)動(dòng)才到達(dá)切換線,然后沿切換線滑向控制目標(biāo),盡管最終都到達(dá)控制目標(biāo),但較大ε肯定要比較小ε先達(dá)到控制目標(biāo),從而獲得更好的控制性能。從圖13的滑轉(zhuǎn)率控制曲線圖可以比較明顯地看出它們在控制效果上的差別。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和控制要求,選擇合適的ε對(duì)于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,提高控制系統(tǒng)的性能具有重要的作用。

圖14 驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率控制曲線Fig.14 Control curves of driving wheel slip ratio

圖15 相軌跡與切換線Fig.15 Phase locus and switching line

3.2.3 指數(shù)趨近階次k的影響

分別對(duì)k=0（等速趨近率控制）和k=15（指數(shù)趨近率控制）兩種情況進(jìn)行了仿真,其余參數(shù)均相同。圖16、圖17分別表示兩種情況的仿真結(jié)果。

圖16 相軌跡與切換線Fig.16 Phase locus and switching line

圖17 驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率控制曲線Fig.17 Control curves of driving wheel slip ratio

從上面的仿真結(jié)果不難看出,k值的變化能夠改變系統(tǒng)的趨近速度,一般來說,趨近速度是隨著k的增大而加快,它只影響系統(tǒng)到達(dá)切換線之前的運(yùn)動(dòng)軌跡,即改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì),到達(dá)切換線之后都是沿切換線的滑動(dòng),這也是采用趨近率控制的主要作用。從圖17的滑轉(zhuǎn)率控制曲線可以看出二者的差別比較小,說明采用兩種趨近率控制時(shí)對(duì)其控制效果影響較小。

3.2.4 土壤參數(shù)對(duì)滑?？刂苹D(zhuǎn)率的影響

月球車在不同的路面上行駛,要求滑轉(zhuǎn)率控制系統(tǒng)具有一定的路面適應(yīng)能力,為此在不改變控制器各參數(shù)的條件下,改變土壤的特性參數(shù),進(jìn)行仿真計(jì)算,取新的土壤參數(shù)為：q0=0.028,kx=0.014 3 m, c=900 N/m2,φ=35.6°,n=1.0,kc=3 325 N/mn+1,kφ= 339 810 N/mn+2,g=1.633 33 m/s2.控制器的參數(shù)仍然設(shè)為：C=15,ε=10,k=5.理想滑轉(zhuǎn)率仍設(shè)定為0.3.圖18、圖19為其仿真結(jié)果。

圖18 驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率控制曲線Fig.18 Control curves of driving wheel slip ratio

圖18為其滑轉(zhuǎn)率控制曲線,車輪的滑轉(zhuǎn)率仍然很好地被控制在目標(biāo)值附近,非常平穩(wěn),與先前土壤參數(shù)條件下的控制效果無多大的變化。圖19的相軌跡圖也與先前沒有多大的變化,這說明土壤參數(shù)對(duì)滑模控制滑轉(zhuǎn)率的控制性能影響非常小,滑膜變結(jié)構(gòu)控制具有很好的魯棒性。

圖19 相軌跡與切換線Fig.19 Phase locus and switching line

4 結(jié)論

1）建立了月球車移動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。建模過程采用輪式移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模的常用經(jīng)典力學(xué)方法,忽略了車體的側(cè)向運(yùn)動(dòng)及沿垂直月面方向上的位移,以各驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩作為輸入,考慮車輪縱向的滑移,給出月球車移動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。

2）建立月球車移動(dòng)系統(tǒng)滑轉(zhuǎn)率控制的控制策略。建立指數(shù)趨近滑模控制規(guī)律下的控制算法?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制方法是一類特殊的非線性控制方法,它對(duì)外部干擾具有良好的魯棒性,它根據(jù)月球車行駛過程的狀態(tài)變量來確定要控制的驅(qū)動(dòng)力矩。

3）對(duì)基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的月球車滑轉(zhuǎn)率控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。從仿真分析中可以看到：建立的基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的月球車滑轉(zhuǎn)率控制邏輯與算法是正確的。通過對(duì)滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行控制,能夠有效提高整車的驅(qū)動(dòng)效率,改善移動(dòng)系統(tǒng)的牽引性能,有效避免車輪的過度滑轉(zhuǎn)下陷,提高整車的安全性能,且具有很好的路面適應(yīng)能力,魯棒性強(qiáng)。

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Slip Ratio Control of Locomotion System Based on Sliding Mode Variable Structure Control

HUANG Yu-xin1,2,WANG Tong-yu1,LIN Lin1
（1.College of Mechanical and Electric Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,Jilin,China； 2.China North Vehicle Research Institute,Beijing 100072,China）

The running parameters of lunar rover locomotion system often varies during running.The traditional control method cannot be used to gain the optimal control effect in any case.The variable structure control with sliding mode（VSS）is a special non-linear control method and has strong robustness. The method is easy to be realized.The control logic and algorithm of lunar rover slip-ratio control are established based on the dynamic model of lunar rover and the variable structure control system with sliding mode theory.The control characteristics of VSS are analyzed in details.VSS is applied in slip-ratio control of the lunar rover locomotion system successfully.The simulation is conducted.The simulation results show that the control method has good control effect.

control science and technology；lunar rover locomotion system model；slip-ratio control；variable structure control with sliding mode

TP275

A

1000-1093（2014）10-1707-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.10.027

2013-05-28

黃郁馨（1973—）,男,研究員級(jí)高級(jí)工程師。E-mail：huangyuxin5000@163.com；王彤宇（1970—）,男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail：wangtongyu@edu.com.cn