题目：可变直径轮月球车及关键技术研究

月球是地球唯一的天然卫星，由于其独特的空间位置和潜在资源，成为人类开展深空探测的首选目标，也是人类向外层空间发展的理想基地和前哨站。目前，我国已具备了开展月球探测的基本条件和能力，开展月球探测工程的时机和条件已经成熟。国家月球探测工程计划中已提出了我国月球探测工程的战略目标和阶段目标。月球探测工程分为三个发展阶段：绕月探测；月球软着陆及月面巡视勘查；月球样品自动采样返回探测。其中二期工程的主要目标是实现月球软着陆及月面巡视勘查。围绕深空探测车辆的移动机构展开全面深入的研究具有非常重要的意义。任何科学考察都需要通过高机动性和高通过性能的深空探测车辆载体来实现。针对月球特殊环境，研制具有稳定性、通过性、可靠性和机动性的月球探测车是实现月面巡视勘查的重点。本文针对“月球车设计总体可行性论证”的中国空间技术研究院项目，在综述国内外关于移动机器人特别是深空探测车辆形态学、转向系统、控制系统与深空探测车辆与地面相互作用等深空探测车辆的相关理论和关键技术的基础上，综合利用车辆形态学、土壤——车辆力学等相关技术，研制开发了一种新型的可变直径轮月球车，并对所涉及的深空探测车辆相关关键技术进行了深入的分析。研制了一种四轮独立驱动、独立转向的可变直径轮月球车机械本体，控制系统的软硬件。可变直径轮月球车独特的轮系结构，适应松软的月壤环境，通过调整轮子的等效半径，可以对月球车姿态进行调整，有效的提高了月球车在松软月壤上的稳定性、通过性和可靠性。针对所研制的可变直径轮月球车的轮径可变的特点，运用解析几何与投影几何方法，建立相对比较系数，从月球车的稳定性、几何通过性和运动空间等方面定量地分析了可变直径轮月球车主要性能指标并提出了优化方案。具有复合倾角的轮子在汽车中非常普遍，但具有复合倾角的深空探测车辆运动学的理论分析还鲜见报道。本文针对可变直径轮月球车多分支、串并联混合的机构特点，基于Denavit – Hartenberg齐次坐标变换方法，采用闭链坐标变换和瞬时运动坐标系重合法，建立了空间三维运动学模型，并分析了复合倾角对可变直径轮月球车运动学性能的影响，为四轮可变直径轮月球车的运动学仿真及运动控制奠定了基础。总结了深空探测车辆各种转向方式的优缺点，针对月球松软月壤的特殊环境，设计了一种具有独特转向方式的滚动扭转转向方式。保证月球探测车辆转向时，所有车轮都处于纯滚动状态，车轮都绕一个瞬时转动中心作圆周运动。因此能大大减少转向的能量消耗，避免了月球车转弯时被卡死的情况的发生。提高了月球车在松软月壤条件下的转弯性能和通过性能。基于运动学约束，证明在理想条件下（刚性轮子和地面之间点接触并保持纯滚动），采用滚动扭转转向方式的月球探测车基于瞬心的统一运动规律。提出实际条件下基于双阿克曼瞬心约束的简化控制算法，并对该约束控制算法进行验证。对可变直径轮月球车转弯特性做统一整合，为进一步提高探测车辆运动灵活性奠定理论基础。针对四轮可变直径轮月球车的特殊结构，结合轮式移动机器人的运动控制，提出了通过调整可变直径轮等效半径的方法实现的姿态控制方法和策略。并以本文所设计的四轮可变直径轮月球车为对象，采用CAD软件I-DEAS,多体动力学软件ADAMS/View和控制软件MATLAB/Simulink，进行了虚拟样机联合仿真，设计了基于经典PID控制算法的四轮可变直径轮月球车姿态控制系统。运用联合仿真的方法对四轮可变直径轮月球车的直线行驶性能、越障性能、转弯性能等进行了深入的研究，得到四轮可变直径轮月球车的动力学参数，为下一步进行的优化设计提供参数依据。并实现了基于三维可视化仿真的四轮可变直径轮月球车的姿态控制。使四轮可变直径轮月球车机械结构及控制系统的设计得到了的验证，为实际月球车控制器的设计提供了设计依据。在针对四轮可变直径轮月球探测车研究的基础上，对该原理样机的通过性进行了实验验证。该研究对深空探测车辆的设计和研制具有重要意义。