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Gesamtfahrzeugregelung eines Explorationsrovers
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