CN106444751A - 一种载人月球车移动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种载人月球车移动控制系统，包括遥控操作单元、外部通信单元、主控单元、运动控制单元和驱动单元，遥控操作单元包括普通PC机和控制手柄，实现人机交互界面和手柄操控两种月球车控制方式；外部通信单元由两个泓格无线模块组成，实现遥控操作单元和主控单元数据交互的功能。本发明根据规划模型的非线性和复杂积分求解特性，建立多障碍环境中轮式月球车的参数化轨迹规划数值求解方法，并通过引入性能指标函数，得到具有最优化性能指标下的多障碍物环境中参数化光滑轨迹的求解模型，有效提高月球车在复杂环境中的运动性能和特别是高危情况下的控制安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制系统，具体是一种载人月球车移动控制系统。
背景技术
同人类开发大陆、海洋和近地空间一样，人类进行外层空间探索对人类本身来说是地球生命进化的重要一步。月球作为地球唯一的一颗卫星，从古至今一直牵动着人类的梦想。随着科学技术的发展，自20世纪50年代末，人类才真正开始了对月球的探测活动。月球表面没有大气层，不存在对光的吸收、反射及散射等干扰，因而是进行天文物理学、重力波物理学、中微子物理学试验和全波段天文观测的极好场所，同时也是进行材料科学和生命科学研究与生产的最佳基地；月球重力只有地球重力的六分之一，是未来难得的深空探测发射基地，能够成为人类飞向太空中的中转站；而且通过对月球的探测和研究，人类可以深化对宇宙的认识，并带动其它相关领域技术的发展。因此，月球探测具有重要的科学意义。从“阿波罗”计划获得的资料表明：月球具有丰富的物质资源，月岩中含有地壳里的全部元素和约60种矿藏。同时，月球表面还有地球上没有的能源氦-3，是核聚变反应堆的理想燃料，具有便宜、无毒、无放射性等特点。因此，月球探测也具有巨大的潜在经济意义。
从人类对月球的探测历史来看，从1959年至1976年的18年，为人类进行月球探测的第一次高潮。这期间，美国与前苏联为了进行太空竞争，几乎同时开展了月球探测，共发射了83个月球探测器，有45个获得成功。其中，美国发射成功22颗，主要有“先驱者”系列、“徘徊者”系列、“勘探者”系列、“月球轨道号”及“阿波罗”系列等；前苏联共发射成功23颗无人月球探测器，主要有“月球号”系列、“宇宙号”系列及“探测器”系列。在这些探测活动中，尤其引人注目的是美国在1969年7月发射的“阿波罗-11”实现了人类的首次登月；至1972年12月美国又相继发射了阿波罗系列中的六艘载人登月飞船，除“阿波罗-13”因发生故障终止登月任务外，其余均获得成功。前苏联也先后发射“月球号”探测器，投放着陆器和月球车进行了三次不载人登月。通过登月采样，美、俄共收集了382kg月球岩石、土壤样品。通过对这些样品的分析与研究，丰富与加深了人类对月球的认识。然而从1976年到1986年，月球探测处于低潮期。期间，世界各国均未发射月球探测器。但美国一直未停止重返月球的准备工作，先后进行了两次“生物圈”密闭生态系统试验，并开始实施“快、好、省”的空间探测战略。1986年，在“阿波罗”飞船登月20周年之际，美国宣布了要重返月球，在月球上建立空间科学研究与探测基地的构想。同时，前苏联/俄罗斯、欧洲空间局、日本、印度等都提出了各自的发展计划，目标是掌握月面软着陆技术和月面移动技术，考察月球的地形、地貌，为未来建立月球基地做准备，并着手组织力量进行月球探测技术的研究。随着1998年1月6日美国“月球勘探者”探测器的顺利升空，新一轮月球探测的浪潮被掀起[。
自20世纪80年代伊始，我国的航天事业蓬勃开展，进入21世纪后，我国的综合国力更是有了质的飞跃。2003年10月，我国成功的将载有宇航员的“神舟五号”载人飞船送入太空并安全返回，这标志着中国航天事业进入了新的阶段，中国也成为世界上第三个独立掌握载人航天技术的国家。之后凤舞九天“神舟”系列飞船一一发射成功，为探月工程“三步曲”的实现打下坚实的基础，不久的将来中华民族千百年来“可上九天揽月”的梦想终会实现。在中国航天事业蓬勃开展的同时，世界各航天大国也在紧锣密鼓的实施载人登月并建立月球基地的计划。在这场新的探月热潮中，中国作为世界航天大国不仅要参与其中，更要做出辉煌的成就。
载人月球车是实现载人登月的关键技术之一，它是协助宇航员进行月球探测活动必不可少的工具。载人月球车不仅可以让宇航员安全乘坐以减少体力消耗，还可以克服月表未知的地理环境以扩大在月表的探测范围，而且能够搭载大量科学仪器、月壤样品。在月表那种不可预见的复杂地理环境下执行探测任务，要求载人月球车必须有很强的环境适应能力和良好的运动能力，因此载人月球车控制系统是影响月球车整体性能、安全可靠的关键因素，开展载人月球控制技术研究，探索相关设计、分析及试验、验证理论和技术，能够为我国月球及未来深空载人星球车的研制提供理论和技术支持，因而具有重要的学术意义和工程应用价值。
在20世纪50年代末至70年代中期，美国和前苏联就已经开始进行月球探测研究，相继发射了数十个月球探测器，对月球及其周围环境进行了一系列探测活动。在载人登月领域，美国阿波罗-11号宇宙飞船第一次将航天员送上了月球，随后，阿波罗系列和前苏联的月球车系列相继进行了载人和不载人登月，获得了大量的月球样品和科学数据，月球探测取得了划时代的成就。
20世纪60年代，美国使用阿波罗系列月球探测车对月球进行了探测。阿波罗系列车型和汽车差不多，人为驾驶，车体由2219管状铝合金焊接部件组成。为了减少储存空间，该月球车可以折叠展开，整车折叠与展开状态。车轮轮胎由富有弹性的金属丝网构成，在金属丝网与月表接触的部分一圈镶嵌一层V 型钛合金片以增加接触摩擦力。月球车驾驶操纵装置并非地球上常见的方向盘式，而是配备带有控制手柄的操纵盒，不仅节省了驾驶员的体力而且也带来了巨大的方便。但是阿波罗系列月球探测车采用电机独立驱动方式，采用了直接手动控制，并没有引入特别复杂的控制算法[。美国宇航局为备战2020年重返月球计划而设计了新型月球车“战车”。该车有12个轮子，由2个电动马达驱动，可两级变速，有6个轮子可以在任何方向独立操纵,操纵中心可以360全方位转动。该车重约2041kg，可以搭载4名身着宇航服的宇航员，最大时速可达24km，既可由乘坐其上的宇航员操控，也可以通过地面指挥中心操控。该月球车与阿波罗时期的月球车不同，宇航员可以站立在车内，并且被固定，因此车辆行进中的颠簸不会使车内人员相撞。
在国内，随着国家探月计划的开展，以清华大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、北京航空航天大学、上海交通大学和航天科技集团502所为主的一些高等院校和科研机构相继开展了月球探测车的相关研究工作。北京航空航天大学机器人研究所研制了一种自动球形行星探测机器人。上海交通大学设计了五轮月球机器人。吉林大学和中国空间研究院联合开发的正反四边形悬架式月球车。航天科技集团502所和哈尔滨工业大学等联合开发了六轮，八轮摇杆摇臂式月球车，这两款月球车原理样车移动系统都是基于摇杆摇臂的关节式月球车，六轮式开链仿索杰纳式(rocker-bogie)，八轮为自主研制的五杆闭链关节式，经过试验显示具有良好的运动性能。从目前所掌握的资料来看，国内月球探测车的相关研究有了一定进展，但对于载人月球车及相关控制技术的研究还很少，现在很多的协调运动控制模型都比较复杂，由于探测车资源的有限性，有必要研究协调运动控制的简化模型及各极端条件下的协调策略，提高月球车在复杂环境中的运动性能和特别是高危情况下的控制安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种载人月球车移动控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种载人月球车移动控制系统，包括遥控操作单元、外部通信单元、主控单元、运动控制单元和驱动单元，遥控操作单元包括普通PC机和控制手柄，实现人机交互界面和手柄操控两种月球车控制方式；外部通信单元由两个泓格无线模块组成，实现遥控操作单元和主控单元数据交互的功能；主控单元为研祥AEC-6920工控机，用于接收遥控操作单元指令和反馈底层运动信息，运动控制单元采用UMAC运动控制器，用于接收主控单元数据从而控制驱动单元和接收驱动单元信息并传送给主控单元；驱动单元包括6个驱动器和6个电机，分为前进/后退驱动单元和转向驱动单元，作为月球车控制系统最终执行单元，通过电机间协调运转实现载人月球车的前进、后退和转向控制。
作为本发明进一步的方案：所述遥控操作单元、外部通信单元、主控单元以及运动控制单元之间都是基于以太网方式进行通讯。
作为本发明再进一步的方案：所述电机为直流电机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明根据规划模型的非线性和复杂积分求解特性，建立多障碍环境中轮式月球车的参数化轨迹规划数值求解方法，并通过引入性能指标函数，得到具有最优化性能指标下的多障碍物环境中参数化光滑轨迹的求解模型，有效提高月球车在复杂环境中的运动性能和特别是高危情况下的控制安全性。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中，一种载人月球车移动控制系统，包括遥控操作单元、外部通信单元、主控单元、运动控制单元和驱动单元，遥控操作单元包括普通PC机和控制手柄，实现人机交互界面和手柄操控两种月球车控制方式；外部通信单元由两个泓格无线模块组成，实现遥控操作单元和主控单元数据交互的功能；主控单元为研祥AEC-6920工控机，用于接收遥控操作单元指令和反馈底层运动信息，运动控制单元采用UMAC运动控制器，用于接收主控单元数据从而控制驱动单元和接收驱动单元信息并传送给主控单元；驱动单元包括6个驱动器和6个电机，分为前进/后退驱动单元和转向驱动单元，作为月球车控制系统最终执行单元，通过电机间协调运转实现载人月球车的前进、后退和转向控制；所述遥控操作单元、外部通信单元、主控单元以及运动控制单元之间都是基于以太网方式进行通讯；所述电机为直流电机。
本发明的工作原理是：本发明载人月球车移动控制系统，包括遥控操作单元、外部通信单元、主控单元、运动控制单元和驱动单元，遥控操作单元包括普通PC机和控制手柄，实现人机交互界面和手柄操控两种月球车控制方式；外部通信单元由两个泓格无线模块组成，实现遥控操作单元和主控单元数据交互的功能；主控单元为研祥AEC-6920工控机，用于接收遥控操作单元指令和反馈底层运动信息，运动控制单元采用UMAC运动控制器，用于接收主控单元数据从而控制驱动单元和接收驱动单元信息并传送给主控单元；驱动单元包括6个驱动器和6个电机，分为前进/后退驱动单元和转向驱动单元，作为月球车控制系统最终执行单元，通过电机间协调运转实现载人月球车的前进、后退和转向控制；所述遥控操作单元、外部通信单元、主控单元以及运动控制单元之间都是基于以太网方式进行通讯；所述电机为直流电机。基于功能需求与模块化思想，月球车功能分为直行模式和转向模式。直行模式分为前进、后退、越障、爬坡、横过斜坡和过壕沟。转向模式分为前轮转向、后轮转向、四轮同向转向、四轮异向转向和差速转向。
载人月球车人机交互界面功能包括控制方式选择、参数设置、直行模式、转向模式、信息显示、图像显示、运行状态和报警显示，控制方式分为界面控制和手柄控制两种方式，并都可实现对月球车的操作。参数设置可以对月球车物理尺寸参数、外部通信单元参数和UMAC运动控制器参数等设置，实现月球车功能控制的多样性。直行模式是对于月球车直行状态方面的控制。转向模式实现月球车的转向功能，保证用户对于转向功能的需要。信息显示能够实时显示轮转速、电机转速、转向角度、转向角速度等相关控制信息。图像显示通过搭建月驱车模型对月球车直行与转向进行实时跟踪。运行状态与报警显示可以实时显示月球车控制系统整体状态和相关状况导致的报警等信息。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (3)
1.一种载人月球车移动控制系统，包括遥控操作单元、外部通信单元、主控单元、运动控制单元和驱动单元，其特征在于，遥控操作单元包括普通PC机和控制手柄，实现人机交互界面和手柄操控两种月球车控制方式；外部通信单元由两个泓格无线模块组成，实现遥控操作单元和主控单元数据交互的功能；主控单元为研祥AEC-6920工控机，用于接收遥控操作单元指令和反馈底层运动信息，运动控制单元采用UMAC运动控制器，用于接收主控单元数据从而控制驱动单元和接收驱动单元信息并传送给主控单元；驱动单元包括6个驱动器和6个电机，分为前进/后退驱动单元和转向驱动单元，作为月球车控制系统最终执行单元，通过电机间协调运转实现载人月球车的前进、后退和转向控制。
2.根据权利要求1所述的载人月球车移动控制系统，其特征在于，所述遥控操作单元、外部通信单元、主控单元以及运动控制单元之间都是基于以太网方式进行通讯。
3.根据权利要求1所述的载人月球车移动控制系统，其特征在于，所述电机为直流电机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170222 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |