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轮式星球车是星球探测任务的首选方案，在中国的探月工程中，玉兔号月球车采用轮式移动机器人方案。中国已经启动了火星探测工程，作为主要备选方案的轮式移动机器人成为了研究热点。在执行星球探索任务过程中，星球车车轮滑转率、侧偏角和沉陷量是最为重要的运动状态变量。能否对这三个变量进行有效感知直接影响星球车的性能和探测任务的成败。“机遇号”和“勇气号”火星车在松软的星壤相继发生了严重的陷车事故。此类事故的原因之一是缺乏有效的星球车沉陷预警机制研究，而针对轮壤作用状态参数的估计研究是其必要的前提条件。开展轮壤作用状态参数的估计方法研究能够为星球车提供必要的状态反馈变量，是提高星球车感知能力的重要手段，也是星球车运动控制、轨迹跟踪和路径规划问题的重要研究基础。然而，滑转率、侧偏角和沉陷量等星球车车轮状态参数的感知一直是一个难点。因此，利用星球车自有传感器获得的信息对轮壤作用状态参数进行估计具有重要的意义。通过对车辙进行研究与分析，发现星球车车辙中就蕴含着相关的轮壤作用状态信息。基于车辙信息可以对车轮滑转率、侧偏角和沉陷量等关键轮壤作用状态参数进行有效估计。
基于轮地相互作用开展车辙单元构型研究，有助于理解车辙的构型成因和光学成像特征。在车辙形成机理基础上，建立车辙单元剖面构型模型。进一步对车辙单元剖面构型模型进行拓展，建立车辙构型模型。在此基础上，通过对车辙成像特征分析，建立车辙成像模型，为轮壤作用状态估计方法所需的图像检测技术提供必要的理论基础。利用该模型能够对轮壤作用状态进行有效估计。
基于车辙形态特征提出车轮运动参数估计方法。在车辙形成过程及形成机理基础上，分析车辙单元骨架特征、车辙时域特征和车辙频域特征。根据车辙特征建立了基于车辙特征的侧偏角、滑转率和沉陷量等车轮运动参数估计模型。在车辙特征分析和图像处理方法的研究基础上，利用车辙成像模型开展车辙特征参数提取方法研究。
结合机器视觉技术，给出了本方法的工程化应用技术途径。建立了基于车辙图像信息的轮壤作用状态参数估计系统架构，并给出估计流程。开展车辙复杂光照的图像预处理、车辙区域特征提取和车辙区域特征分类等技术研究，结合基于车辙特征的轮壤作用状态参数估计方法，使轮壤作用状态参数估计的工程化应用成为可能。而且利用星球车整车试验系统进行了验证。最后，利用本方法对“机遇”火星车车辙照片进行了分析，获得了车轮滑转率估计结果。
本文的研究成果可以解决星球车车轮滑转率、侧偏角及沉陷量等关键运动参数感知问题，提出了一种只需利用星球车自带车载相机所获取的车辙图像便可以对星球车轮壤作用状态进行估计的方法，并且提供了相应的工程化解决方案。
基于轮地相互作用开展车辙单元构型研究，有助于理解车辙的构型成因和光学成像特征。在车辙形成机理基础上，建立车辙单元剖面构型模型。进一步对车辙单元剖面构型模型进行拓展，建立车辙构型模型。在此基础上，通过对车辙成像特征分析，建立车辙成像模型，为轮壤作用状态估计方法所需的图像检测技术提供必要的理论基础。利用该模型能够对轮壤作用状态进行有效估计。
基于车辙形态特征提出车轮运动参数估计方法。在车辙形成过程及形成机理基础上，分析车辙单元骨架特征、车辙时域特征和车辙频域特征。根据车辙特征建立了基于车辙特征的侧偏角、滑转率和沉陷量等车轮运动参数估计模型。在车辙特征分析和图像处理方法的研究基础上，利用车辙成像模型开展车辙特征参数提取方法研究。
结合机器视觉技术，给出了本方法的工程化应用技术途径。建立了基于车辙图像信息的轮壤作用状态参数估计系统架构，并给出估计流程。开展车辙复杂光照的图像预处理、车辙区域特征提取和车辙区域特征分类等技术研究，结合基于车辙特征的轮壤作用状态参数估计方法，使轮壤作用状态参数估计的工程化应用成为可能。而且利用星球车整车试验系统进行了验证。最后，利用本方法对“机遇”火星车车辙照片进行了分析，获得了车轮滑转率估计结果。
本文的研究成果可以解决星球车车轮滑转率、侧偏角及沉陷量等关键运动参数感知问题，提出了一种只需利用星球车自带车载相机所获取的车辙图像便可以对星球车轮壤作用状态进行估计的方法，并且提供了相应的工程化解决方案。