中国即将于2020年进行火星探测，不同于月球比较单一的表面特性，火星的地表环境不仅包含松软崎岖的土壤和沙地，同样有坚硬岩石等地形。几何特征崎岖、物理特征多变的地面特征使得火星车运行过程中极易产生滑转、滑移甚至是沉陷等现象，为火星探测任务带来了前所未有的挑战。因此，中国的火星车将采用一种主动悬架的构型，通过轮步式移动等功能，极大地提高了火星车的移动能力。本文针对六轮主动悬架火星车，建立车轮-地面相互作用多地形-多工况统一力学模型，推导主动悬架火星车的运动学和动力学模型，研究高保真度仿真的关键技术。
　　开展了火星车轮地力学实验研究。按照车轮的实际运动工况对轮地作用力学模型进行分类，分析得到了星球车轮地相互作用基本模型；考虑到主动悬架火星车实际运行过程中会出现的主动转向、高滑转沉陷和纯滑移特殊工况，采用哈尔滨工业大学开发的高性能单轮测试台分别进行了相应的实验研究；考虑到单轮实验结果与整车实验结果的差异性，采用星球车实验样机进行了整车地面力学实验和主动悬架功能验证实验，得到了崎岖多变地形下的整车运行规律。为后文的轮地作用力学模型和仿真系统的精度验证提供了实验基础。
　　在深入分析车轮-软土相互作用力学实验结果的基础上，分别建立了对应于车轮原地转向、高滑转沉陷和纯滑移工况的地面力学模型。为了解决火星车在松软土壤和坚硬岩石组成的复合地形的接触力计算的问题，本文进一步分析传统的刚性接触的作用力学模型，发现车轮-软土相互作用模型和车轮-硬质地面相互作用模型具有相同的本质特征，并由此建立了统一地面物理特征的火星车轮-地面相互作用力学模型。进一步分析模型中的影响因素，发现可以采用变沉陷指数模型描述不同工况下的车轮动态沉陷量。最终得到车轮-地面相互作用多地形-多工况的计算模型。
　　为了减小火星车的结构尺寸和整车质量，中国火星车采用了单输入多输出（Single-Input-Multi-Output，SIMO）关节。传统的星球车动力学建模过程中假定每个关节只连接两个连杆，但是SIMO关节连接三个及以上的连杆，因此需要为该种星球车的动力学模型引入新的约束。本文针对包含SIMO关节的主动悬架火星车建立了一种新的动力学模型。该模型将火星车作为浮动基动力学系统，采用空间向量描述星球车的关节位置，并在此基础上进行求导，得到描述车轮速度与关节速度映射关系的雅克比矩阵及二阶影响系数矩阵；根据虚功原理建立了火星车的通用动力学模型；考虑SIMO关节的特性，引入了新的加速度约束矩阵，该矩阵对关节加速度进行约束但是不约束关节力，最终得到了包含SIMO关节的主动悬架火星车动力学模型；通过分析模型的不同用途，分别得到正动力学、面向控制的逆动力学、面向仿真的火星车加速度求解和面向感知的车轮运动状态参数求解的动力学形式，并给出了相应的求解方法。
　　在建立的统一地面物理特征的火星车轮-地面相互作用力学模型的基础上，本文提出了一种包含物理特性的地形高程图（Digital Elevation Map with Physical Properties，DEMP2）。DEMP2将地形的物理特征与几何特征相结合，使得仿真可以根据车轮的位置信息得到相应的地面物理参数；然后采用一种线性插值算法，解决了仿真过程中的物理特性突变导致力学解算得到奇异解的问题；提出了一种轮地接触坐标系的计算方法，使得仿真系统可以计算车轮的沉陷量等运动信息。最后，采用MATLAB开发得到了主动悬架火星车的数值仿真系统，通过引入视景仿真，完成可视化仿真系统的开发。利用星球车实验样机的实验数据，对本文所建立的车轮-地面相互作用统一力学模型、动力学模型和仿真系统进行保真度验证，说明了仿真系统具有很高的保真度。
　　本文的研究成果可应用于被动悬架火星车、主动悬架火星车甚至是包含SIMO关节的火星车的设计、制造、控制和在轨遥操作等方面，对轮式移动机器人的动力学建模及仿真研究具有一定的理论指导意义和工程实现价值。