Planetary rover mobility on loose soil : terramechanics theory for side slip prediction and compensation

The aim of this thesis is to develop a model which can predict a mobile trajectory profile of the rover under loose soil condition. The study also encapsulates a traversal run in a sloped terrain without the skid characteristics. The geometry and features are defined to model the rover as known as Moonraker: the lunar rover of the team HAKUTO, competing for the Google Lunar XPRIZE. After a brief introduction of the working environment, a chapter is dedicated to the modeling of the forces generated from the interaction between wheels with soil, depending on the slip ratio and the slip angle. The used model is the one proposed by G. Ishigami, based on the work of M. G. Bekker and J. Y. Wong and modified, according to what proposed by M. Sutoh, to explicitly consider the grouser effect. The model is verified through One-Wheel tests. The equations of motion are retrieved and the numerical simulation with iterative loop is described. The desired state is reached imposing arbitrary inputs to the wheels. Two input strategies are discussed: torque input and velocity input. The resulting motion is compared with tests on both controlled (sandbox) and uncontrolled environment. The former is mainly used to verify the precision of the model, and the latter to prove the sensibility to the ground properties. The independence of the model from the traveling velocity is verified, employing the same tests used for the main goal of the thesis. The aim of the thesis is reached defining the strategy for the compensation of the side slip on a slope terrain. A tuning procedure is performed to correct the model errors and fit the desired system performances. The initial attitude of the rover is studied in order to compensate the drifting angle with a proper orientation. A "slope-attitude" correlation is defined interpolating the found solutions. The validity of the obtained solution is tested and verified.

Lo scopo di questa tesi è realizzare un modello che sia in grado di predire la traiettoria di un rover che si muove su terreno sabbioso. Lo studio comprende inoltre un possibile approccio per la correzione dello slittamento laterale, presente durante l’attraversamento di un pendio. La geometria e le caratteristiche del sistema in analisi sono definite al fine di descrivere il robot noto come Moonraker: il rover lunare del team HAKUTO, il quale compete per il Google Lunar XPRIZE. Dopo una breve introduzione sull’argomento trattato, un capitolo è dedicato all’analisi e descrizione del modello di forze generate dalla interazione tra le ruote e il suolo, in relazione alla variazione di rateo di slittamento e angolo di slittamento (rispettivamente slip ratio e slip angle in inglese). Il modello che viene utilizzato è quello proposto da G. Ishigami, il quale si basa sul lavoro di M. G. Bekker e J. Y. Wong. A questo viene aggiunto il contributo di forze dovuto alle sporgenze presenti sulle ruote (in inglese grousers), secondo quanto proposto da M. Sutoh. Il modello risultante viene quindi verificato, comparandolo con quanto ottenuto da test eseguiti su una ruota dotata di sensori di forza e momento. Avendo illustrato il sistema studiato con le opportune approssimazioni, sono presentate le equazioni del moto e la simulazione numerica, necessarie per l’elaborazione della traiettoria. Il raggiungimento dello stato desiderato per la simulazione è garantito da un input agente sulle ruote: in primis viene descritto come si possa usare il momento generato dai motori per controllare la dinamica delle ruote, e in seguito viene illustrato come imporre direttamente la velocità di rotazione sia più congeniale al problema. Il moto risultante dalle simulazioni è confrontato con quanto ottenuto in test svolti in un ambiente controllato (sandbox) e naturale. Lo scopo dei primi è quello di permettere un confronto, ben conoscendo le variabili presenti. I test svolti nel secondo ambiente servono ad evidenziare come la conoscenza di questi parametri sia fondamentale per una buona simulazione. Attraverso gli stessi test usati per gli obiettivi principali della tesi, è accennato uno studio atto a dimostrare come la velocità di manovra non influenzi il percorso, non modificando le forze presenti. Lo scopo della tesi è raggiunto con il confronto del modello proposto con quanto ottenuto durante questi test. A questo segue una proposta di regolazione dei parametri al fine di minimizzare l’errore di simulazione. Avendo il modello ottimizzato, è possibile studiare un opportuno angolo con cui affrontare il pendio, il quale garantisca un moto orizzontale. Iterando questo procedimento per tutte le pendenze in esame, è possibile definire una curva che relazioni l’inclinazione del suolo con l’orientazione da assumere al fine di attraversare il percorso. La soluzione proposta viene quindi verificata con ulteriori test, per dimostrarne l’efficacia.