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月球车是移动机器人研究中的前沿课题之一。如何考虑环境地形对机器人移动性的影响，如何提高移动机器人在复杂地形中的移动能力，使机器人保持高移动性的同时，又能主动维护自身安全，这是移动机器人移动性研究中的共性基础性问题。正如飞机飞行的基础是飞行与空气的相互作用关系，轮船航行的基础是船与海水的相互作用关系一样，月球车移动性能的基础是轮-地之间的相互作用关系。对于通常的轮式移动机器人，工作环境为室内结构化环境或室外道路环境，不论是室内结构化环境，还是室外道路环境，环境地形均为硬质地面，地形平坦，车轮在地面上进行滚动，车轮的滚动速度有效转化为车体的移动速度。而对于月球车系统，月球车的工作环境为特殊的太空环境，月球表面除了温差、低重力、宇宙辐射、月面尘埃等恶劣因素外，从机器人移动性的角度讲，环境地形是崎岖不平、松软的。相同的机器人，在硬质路面和松软路面上的移动性能和地形通过能力是截然不同的，可见机器人的移动能力不仅取决于自身机构特点和控制策略，还与环境地形具有不可分割的联系。为了适应地形不平坦等因素的影响，月球车系统通常具有较为复杂的移动机构，对于特定的月球车系统，研究月球车的移动性问题，还需要深入研究月球车的建模与控制问题，而要研究月球车的建模与控制问题，就需要考察轮-地交互关系，而考察轮-地交互关系就必须先考虑地形的物理属性。
地形属性可从两个方面考虑，一个是几何属性，比如地形的崎岖不平程度；另一个是物理属性，比如地形是硬质还是软质，需要考虑地形的土壤特性。根据对月球车移动性能的影响程度之不同，可从硬质与软质的角度来考察环境地形的物理属性和轮-地交互关系。地形属性的不同，不仅影响机器人的运动学问题，还涉及到机器人的动力学问题。不同的地形条件下，机器人与地形的相互接触关系不同，从而使机器人表现出不同的移动性能和地形通过能力。本文围绕研究目标和其中关键科学问题，将机器人与环境地形看成是一个相互接触、相互作用、相互联系的整体，具有整体不可分离性，从轮-地交互出发，考察机器人与环境地形之间的轮-地接触关系以及地形因素对机器人建模与控制等带来的影响，将地形分为硬质和软质情况，在硬质地形上，主要考虑地形平坦与不平坦带来哪些问题，对机器人移动造成什么影响，如何在机器人的控制中考虑地形不平坦带来的不良影响。如何对六个驱动轮进行速度协调，车轮打滑(前滑、侧滑、转向滑移)对机器人带来什么影响，车轮滑移考虑与否会有什么不同，会给机器人的建模、分析及控制带来哪些问题。当机器人在软质地形上移动时，地形的松软性质会给机器人的移动和地形通过能力带来哪些问题，如何考虑地形的土壤特性，如何从控制上解决软地形给机器人造成的不良影响。根据本文的研究内容，各章节结构安排如下：
第1章是“绪论”，简要介绍了论文研究背景和月面巡视探测器的基本概念及分类，对月球车国内外研究历史及现状进行了分析，进而引出了本文的研究问题。重点针对被动柔顺式月球车的建模与控制问题进行了文献综述，最后对本文的研究目标、选题意义及主要内容进行了简要叙述。
第2章“基于速度闭链的月球车运动学建模”考察硬质不平坦地形下机器人轮-地接触模型，引入轮-地几何接触角概念以反映地形不平坦时轮-地接触点在轮缘上位置的变化，抛弃了通常采用的车轮纯滚动假设，考虑车轮滑移(包括侧滑、侧滑以及转向滑移)，结合月球车被动柔顺式移动机构的特点，提出了一种基于速度闭链的运动学建模方法。该运动学建模方法基于轮心处的速度投影建立整体运动学模型，具有物理概念清楚、便于运动学计算的优点，为机器人进行实时运动学正反解奠定了基础。
第3章“轮-地几何接触角的在线估计方法”针对运动学模型中轮-地几何接触角难以直接测量的问题，提出了两种在线估计方法：误差计算法和卡尔曼滤波估计法。这两种方法均基于月球车整体运动学模型，只需要车轮内部传感器的测量信息，就可实现对轮-地几何接触角的在线估计，不需增加额外传感器，成本低廉、计算简单。
第4章“月球车运动状态估计及里程计计算”由于车轮滑移的影响，采用航位推算方法进行机器人状态估计以及里程计计算存在误差较大的问题，通常用于提高机器人定位和导航精度的外部传感器(如GPS、激光传感器等)无法用于月球车系统，利用机器人视觉进行里程计计算目前尚存在一定问题(如计算资源过大等)，而加速度传感器由于月球车移动速度慢而难以提供有效的测量信息，针对这一实际问题，本文提出了基于整体运动学模型的车体运动状态估计方法，并在月球车样机上对车体速度估计、航向角估计、里程计实时计算等方法进行了大量物理实验研究，实验结果验证了算法的有效性。
第5章“基于数值求解的地形参数实时估计”考虑松散地形下刚性轮与地形的交互建模问题，提出了一种基于Guass-Legendre数值积分和Newton-Raphson数值解法的地形参数实时估计方法。并以月壤参数的变化范围为参考空间，通过数值仿真将不同地形参数对轮-地接触力的影响进行了比较，进而确定那些对轮-地接触力有较大影响的地形参数进行在线估计，仿真结果表明估计算法是有效的。
第6章“月球车静力学建模及牵引力控制”松散地形下常规的机器人速度控制策略难以满足需要，为此本文开展了月球车准静力学建模及牵引力控制算法研究，针对松散地形下月球车的运动控制，提出了两种牵引力控制算法。首先对月球车准静力学模型进行简化，提出了一种基于目标优化、考虑车体姿态变化的牵引力控制算法，其次，通过前面在线估计出的地形参数，对车轮滑移率进行最优估计，进而提出了一种最优滑移控制算法，并通过计算机仿真进行了验证。
最后，对全文进行总结，并对未来的工作进行展望。