参数化月面场地及漫游车路径规划集成仿真系统研究

作     者：姚阔 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄其涛

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：分形理论 仿真系统 人工势场法 ROS 

摘      要：世界范围内探月的第二次浪潮正在被掀起,航天技术的发展有利于提高综合国力,可以进一步促进人类社会的发展,月表丰富的矿产资源使得探月工程具有很大意义。月表特殊的地形与环境使得漫游车性能的开发十分重要,而现代计算机技术的发展使得仿真手段逐渐成为漫游车开发过程中不可缺少的一个环节。使用计算机仿真分析,可以在设计初期研究不同设计结构对漫游车整体性能的影响,大大缩短设计周期,取得和硬件设备实验相似的结果。科技水平在不断提高,计算机硬件的更新迭代使得仿真系统的效率得到很大提高。比如近些年新兴的ROS具有完全开源、通讯耦合性低、二次开发方便等优点。本文基于ROS采用节点通讯的框架,旨在搭建简洁而高效的月面仿真系统,并在仿真场地中测试漫游车路径规划算法的性能。地形模拟技术中的分形理论可以很好地模拟自然地形的真实性,采用Diamond-Square算法可以高效地生成月面起伏不定的基础地形的高程数据。在统计月表典型特征分布规律的基础上,对月表环形坑和月面岩石建立数学模型,选择随机位置添加到基础地形上即可得到模拟的月面高程图,对高程图添加物理属性和渲染操作再导入Gazebo中搭建具有真实感的月面仿真场地。参数化月面仿真场地的搭建能通过Python程序很方便地实现,具有参数可控的特点,根据需要研究的地形,通过输入地形面积、地形起伏程度、光照强度、最小环形坑直径、最小岩石直径生成多种不同特征的月面场地。在月面场地中研究漫游车的路径规划性能,首先需要搭建具有具体尺寸的漫游车模型。本文借助Soild Works软件搭建了漫游车的三维模型并导出统一机器人描述格式,添加物理属性后导入月面仿真场地中。通过研究漫游车在不同运动状态下的轮速关系,漫游车可以在不同地形中灵活运动。路径规划是基于漫游车周围环境的信息实现的,激光雷达扫描周围环境得到的点云地图信息量繁多,通过研究障碍物提取算法将激光扫描的点云地图进行加工得到障碍物地图。漫游车采用人工势场法在月面场地中做局部路径规划,势场参数的设置直接影响规划的性能,此外,本文针对传统人工势场法的缺陷提出了改进措施并在仿真的月面场地中进行了仿真实践。