Planetary exploration and off-road applications require rovers to operate in unstructured environments, involving interaction with soft soil, non-homogeneous terrain and sloped and rocky surfaces. In this context, simulation and analysis tools can be very helpful to characterize the mobility of rovers under various terrain conditions.

Modelling of rovers with the objective of predicting their behaviour requires adequate knowledge of the parameters of the system and its environment. Due to the existence of uncertainties in estimation of terrain properties, accurate prediction of wheel-soil interaction poses the main challenge in the simulation of rover manoeuvres. However, accurate prediction of a rover behaviour may not be necessary for evaluation and improvement of its design and operational strategies. To this end, an alternative approach is introduced which relies on what is termed observative models, as opposed to the predictive ones. The objective of using observative models is to develop an understanding of the way the system performance would be affected by the change of its design and operation parameters. Observative models of rovers are able to capture the trends that are generally observed and it is shown that variations in terrain parameters do not affect the validity of the results obtained with these models.

A detailed study of the wheel-soil interaction phenomena is carried out which shows that the ability of rovers in developing drawbar pull is greatly influenced by the distribution of the normal load among their wheels. The normal force dispersion is used as a performance indicator to compare the mobility of different rover configurations. Based on the type of soil and other factors such as the multipass effect, a series of design and operation guidelines are proposed in order to improve the ability of rovers to generate higher drawbar pull and climb steeper slopes and larger obstacles. These guidelines include the modification of the chassis internal force distribution via redundant actuation. The effectiveness of the proposed approaches is investigated via simulation studies and extensive sets of experiments with two rovers, the Juno and the Rover Chassis Prototype (RCP). Redundant actuation is realized by introducing some design modifications to the RCP which enables online modification of normal force dispersion.

The simulation studies are carried out using a generic multibody dynamics library which is developed as a part of this research. This library can serve as a generic and rover-specific analysis tool and addresses some of the shortcomings in the available simulation packages.

Les missions d’exploration planétaire comme les applications tout-terrain imposent aux véhicules d’évoluer dans des environnements nonstructurés, dans lesquels ils sont confrontés à des sols meubles, hétérogènes, irreguliers, voire rocheux. Dans un tel contexte, les simulations et les outils d’analyse se révèlent d’une aide précieuse pour caractériser la mobilité de ces véhicules sur différents types de terrains.

_ La modélisation des robots mobiles en vue de prédire leur comportement nécessite une bonne connaissance des paramètres du système et de son environnement. Du fait des incertitudes dans l’estimation des propriétés du terrain, la restitution fidèle des interactions roues-sol constitue le défi principal de la simulation des véhicules tout-terrain. Cependant, une prédiction précise du comportement du robot n’est pas toujours nécessaire à l’évaluation et à l’amélioration de sa conception et de ses stratégies d’évolution. Aussi, une approche alternative est proposée ici, en s’appuyant sur les modèles dits observatif, par opposition aux modèles prédictifs. L’utilisation desdits modéles doit permettre de comprendre la manière dont la conception et les paramètres de fonctionnement influent sur les performances du système. Les observatif sont capables de saisir les tendances que pren globalement le robot et il a été montré que la modification des paramètres du terrain n’affectent pas la validité des résultats obtenus par de tels modèles.

_ Une étude détaillée des phénomènes d’interaction roue-sol est réalisée. Celle-ci montre que la traction développable par un véhicule est hautement influencée par la distribution des réactions normales sur les roues. La dispersion de ces derniéres est donc utilisée comme indicateur de performance pour comparer la mobilité de différentes configurations de robots. À partir du type de sol et d’autres facteurs comme le roulement dans les traces des roues frontales, un ensemble de directrices pour la conception et le déploiement est proposé afin de donner aux robots mobiles à roues la capacité de générer davantage de traction, gravir des pentes plus prononcée et franchir des obstacles plus importants. Ces directrices incluent la modification de la distribution des forces internes au moyen d’un actionnement redondant. L’efficacité des approches proposées est testée à l’aide de simulations et d’une gamme étendue d’essais basé sur deux exemples de robots roulants, le Juno et le Rover Chassis Prototype (RCP). La redondance d’actionnement est élaborée en introduisant quelques changements dans la conception du RCP afin de permettre la modification en ligne de la dispersion des forces normales.

_ Les études en simulation sont réalisées en utilisant une bibliothèques dynamique générique développée dans le cadre de cette recherche. Cette bibliothèques fournit une série d’outils d’analyse aussi bien génériques que spécifiques aux systèmes roulant et permet de pallier les lacunes des logiciels de simulation existants.