火星重力系数大于月球,表层软土的形成机理也与月球不同,火星表面地形多变、火壤构成复杂,火星车遇到大面积易沉陷地面和大角度松软土坡的几率很大。现有星球车移动系统缺乏足够的牵引通过能力,难以胜任复杂的火星表面巡视任务,自主脱离沉陷和爬陡坡性能有待改进。为了获得更优秀的火星车移动系统,需要探索火星车设计的新思想、新理论和新方法。本文研究旨在为我国火星车移动系统的研制提供理论基础和技术支持。已成功运行的星球车移动系统均为轮式移动系统,多采用弹簧扭杆式悬架和摇臂式悬架。其中,美国火星车和我国月球车均采用六轮摇臂式悬架。实践表明采用该型悬架的移动系统具有优良的崎岖地面行驶性能。考虑航天产品的技术继承性和可靠性,本文以六轮摇臂式移动系统为基础,提出一种具备轮-步复合蠕动行进能力的火星车移动系统方案。本文移动系统的悬架和传统摇臂式悬架在机构上存在差别,主摇臂和差动器输出轴不再是固结,而是将主摇臂分成两段并通过两个主动步行关节与差动器输出轴相连。为了降低控制这两个关节关联转动的难度,本文采用机械传动建立关联,使用1套电机和1套减速机构同步驱动这两个关节,这要求两个关节的转动严格线性相关,悬架几何参数需要特殊设计。此外,悬架几何参数要满足原有轮式移动功能相关的约束,还要满足新的轮-步复合移动功能相关的约束,所有的约束中以“平地上各轮轴荷均衡”和“轮-步复合移动时车厢俯仰姿态变化不大”最为重要。本文采用皮尔逊线性相关性函数描述两个关节转角间关系,并将其作为悬架几何参数优化的目标,建立悬架主被动功能相关的悬架几何参数设计约束,继而构建悬架几何参数优化模型。利用单目标遗传算法求解该模型,确定悬架的几何参数,并获得了两个主动步行关节间传动比。以行星轮系为核心部件研制步行执行器机构,实现前述定比传动,并给出该机构在移动系统中的布置方案。轮-步复合移动系统性能除了取决于悬架运动/变形性能之外,还取决于车轮和地面间相互作用。轮-步复合移动的地面力学机理和轮式移动的地面力学机理相差较大。轮-步复合移动中车轮可按运动和受力分为三类:驱动轮、脱陷轮和止退轮。现有地面力学模型可以用于驱动轮(挂钩牵引力模型)和脱陷轮(前进阻力模型),但止退轮-地面相互作用的建模尚属空白。本文定性分析了制动止退轮和转动止退轮间差别,基于土壤切应力-正应力关系、朗肯土应力和太沙基弹性压密核思想,提出了一种制动止退轮最大后退阻力计算模型,完善了车轮作为足端进行轮-步复合移动的地面力学理论。本文利用单轮试验对驱动轮、脱陷轮、止退轮与地面相互作用力模型进行了验证和补充。通过试验定量地明确了止退轮转动和制动时后退阻力差别,明确了坡上土壤流动、地上土体堆积对止退轮后退阻力的影响,明确了止退轮后退阻力随堆土高度、沉陷深度、法向载荷、车轮转动速度变化的规律。根据试验结果,给出三类车轮的车轮滑转率控制期望和对悬架出力控制期望。本文轮-步复合移动中车轮保持与地面接触,运动形式为蠕动爬行。面向轮-步复合移动大坡度爬坡和大沉陷自主脱陷,建立崎岖地形上移动系统运动学模型和静力学模型,综合考虑轮-步复合移动中悬架变形和轮-地相互作用。从防止运动干涉、稳定性、获得最大步长角度出发,确定轮-步复合移动时悬架变形范围。文中提出了爬松软坡、大沉陷脱陷时各轮出力分配原则,揭示了具有止退轮的轮-步复合移动系统工作机理。分析了前后两个方向蠕动爬坡和脱陷时移动系统性能,基于分析结果提出两种工况中移动系统蠕动行进控制策略。为了实现前述控制策略,提出了一种以车轮滑转率为对象的车轮转速控制方法。除了可以让止退轮转动增强蠕动爬行性能外,还可以通过改善节拍间、周期间车轮-地面接触状态增强蠕动爬行性能。当车轮沉陷很大时,蠕动爬行过程中车轮驱动力矩较大,本文给出一种抬升车轮以减小沉陷深度方法。抬升车轮还有助于提高车辆跨越大尺寸垂直障碍的能力。从机械子系统、电控子系统和控制软件三个方面完成火星车原理样机的研制,将轮-步复合移动策略和车轮转动控制算法嵌入到控制软件中。利用样机开展轮式爬坡试验、轮-步复合式移动爬坡试验、轮-步复合脱陷试验、车轮抬升减小沉陷试验、车轮抬升跨越障碍试验和悬架展开试验。试验结果表明本文移动系统满足设计要求和功能需求,轮-步复合移动的牵引通过性能远大于轮式移动,蠕动爬行爬坡和脱陷策略有效,增强爬坡和脱陷性能的方法可行;车辆通过大尺寸垂直障碍能力得到显著增强;悬架展开过程中车厢俯仰变化很小,满足任务执行要求。本文沿移动系统研制-地面力学分析-系统性能分析-控制策略和方法提出-样机研制和试验的主线开展研究。研究成果可以推广到其他轮-步复合移动系统。对我国火星车研制和控制,具备理论指导意义和工程实践价值。