Gesamtfahrzeugregelung eines Explorationsrovers

Abstract

In der planetaren Exploration werden gegenwärtig bei Rovern wie dem Mars Science Laboratory (MSL) überwiegend Move-and-Wait-Strategien eingesetzt, bei denen eine Bewegungsanforderung durch eine Steuerung umgesetzt und anschließend mittels visueller Odometrie überprüft wird. Durch den Mangel an geeigneten Methoden zur Bewertung detaillierter Eigenschaften des Bodens ist das operative Team dazu gezwungen, die zurückzulegende Distanz zwischen zwei Kommunikationszeitpunkten zu verkürzen, um potentielle Gefahrensituationen zu vermeiden, die sich aus hohem Schlupf und einem Einsinken der Räder ergeben. Daher müssen in einer zukünftigen Regelungsstrategie die aus dem Rad-Boden-Kontakt resultierenden Effekte für ein sicheres Vorankommen des Rovers berücksichtigt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde ein optimierungsbasierter Regelungsansatz entwickelt, der durch eine Minimierung der relativen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Bodenkapazität in Form der maximal übertragbaren Scherkräfte das Ziel verfolgt, den am Rad auftretenden Schlupf zu reduzieren und auf diese Weise ein ungefährdetes Vorankommen des Rovers zu gewährleisten. Zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens des Rovers wurde ein quasi-statisches Modell gewählt. Des Weiteren wurde für den auf der Kraftebene arbeitenden Regler mit der Berechnung der Lenkwinkel aus dem Verhältnis der Komponenten der Tangentialkräfte der Räder ein neuartiger Ansatz entwickelt. Die Funktionalität des Ansatzes wurde durch Simulationen validiert und mit den Resultaten der Geometrischen Steuerung verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die entworfene Gesamtfahrzeugregelung für grundlegende Bewegungsanforderungen nahe am Referenzergebnis der Geometrischen Steuerung liegt und gegenüber dieser unterschiedliche Bodenverhältnisse durch eine Umverteilung der Tangentialkräfte berücksichtigen kann. Abschließend wurde untersucht, inwieweit die Gesamtfahrzeugregelung die Entwurfskriterien Generalisierbarkeit, Robustheit und Performanz erfüllt.