Dynamic modelling and trajectory planning of a pendulum-driven tumbleweed rover

The purpose of this research is to design and develop spherical rovers (tumbleweed rovers) that will enable the accelerated exploration of Mars. A wind-powered tumbleweed rover is a large sphere-shaped lightweight structure that uses Martian winds as its means of propulsion. Motivation for this research stems from the fact that current exploration strategies, such as stationary landers and wheeled rovers (e.g., Spirit, Opportunity, and Curiosity), travel on the surface of Mars at very slow rates. The contributions of this work are the development of dynamic modelling techniques, guidance strategies, and control algorithms that will allow for accurate simulations and trajectory tracking maneuvers of spherical rovers on the surface of Mars. The motion equations derived in this research capture the nonholonomic nature of rolling without slipping, the contact requirement between the spherical rover and the generic surface, an additional constraint associated with an energy-harvesting pendulum, and the quaternion unit-length constraints. Focus is placed on a general formulation of the problem that facilitates the integration of the holonomic and nonholonomic constraints into the motion equations in a straightforward manner. Numerical simulations involving Martian tumbleweed rovers are performed on complex three-dimensional surfaces resembling Martian craters. In order to control the trajectory of the spherical robot, a model-based controller is proposed to realize steady tracking of the spherical robot about a desired trajectory in the presence of model uncertainty and external disturbances. Finally, linear elastic theory is employed to capture the flexible nature of the tumbleweed rovers outer shell, which is believed to have a significant impact on its trajectory and rolling stability.L'objectif de cette recherche est la conception et le développement de robots sphériques (tumbleweed rovers) qui va permettre une exploration accélérée de la planète Mars. Un robot sphérique à propulsion éolienne est une large structure légère en forme de sphère qui utilise les vents martiens comme moyen de propulsion. Cette recherche est motivée par le fait que les stratégies d'exploration actuelles, tels que les atterrisseurs stationnaires et les véhicules mobiles (par exemple, Spirit, Opportunity, et Curiosity), se déplace sur la surface de Mars à très faible vitesse. Les contributions de ce travail sont le développement de techniques de modélisation dynamique, des stratégies de navigation et des algorithmes de contrôle qui permettront des simulations précises et des manoeuvres de suivi de trajectoires de robots sphériques sur la surface de la plane`te Mars.Les équations dynamiques dérivées dans cette recherche capturent les contraintes du robot sphérique: le roulement sans glissement, l'exigence de contact entre le robot sphérique et la surface générique, une contrainte supplémentaire associée à un système de pendule pour la génération d'énergie, et l'utilisation du quaternion d'attitude. L'accent est mis sur une formulation générale du problème qui facilite l'intégration des contraintes non-intégrable dans les équations dynamiques d'une manière directe. Des simulations numériques impliquant des robots sphériques d sont effectuées sur des surfaces tridimensionnelles complexes ressemblant à des cratères martiens et des champs ondulés. Afin de contrôler la trajectoire du robot sphérique, un système de contrôle est proposé afin de réaliser un suivi du robot sphérique sur une trajectoire prescrite en présence de l'incertitude du modèle et de perturbations extérieures. Finalement, la théorie élastique linéaire est utilisée pour capturer la nature flexible des parois des robots sphériques martiens, qui est censée avoir un impact significatif sur sa trajectoire sa stabilité