NASA的Sojourner、Spirit和Opportunity火星探测车取得了巨大的成就,拓展了人类对于火星的认识水平,同时在世界上掀起了利用轮式移动机器人(漫游车)进行星球探测的热潮。未来的星球探测任务(如MSL、ExoMars、“嫦娥”和SELENE)要求星球车能够自主运行于更加富有挑战性的松软崎岖地形环境当中。轮地相互作用地面力学可以广泛应用于星球车结构设计、性能评价、星壤参数辨识、动力学仿真、移动与导航控制等许多方面,是星球车性能提高的一个瓶颈问题,因而成为一个新的研究热点。在星球车研究过程中,目前主要直接应用传统车辆的地面力学成果。由于星球车与普通地面车辆在运行环境、控制方式、运行状态、载荷、车辆构型/尺寸和车轮构型/尺寸等方面都存在很大差异,而传统模型主要面向车辆设计且精度不高,因此针对星球探测车进行地面力学的实验、理论和应用方法研究是极其必要的。试验是地面力学研究的重要手段。在分析轮地相互作用力学影响因素的基础上进行试验设计,进而采用模拟月壤,利用高性能的车轮—土壤相互作用测试平台和El-dorado II四轮车测试系统进行系列试验,研究车轮尺寸(半径、宽度),轮刺尺寸(高度、个数、倾斜角度),地形信息(爬坡角度和侧偏角度),法向载荷,运行状态信息(滑转率,转向角、运行速度,重复通过次数)等因素对于轮地相互作用力学的影响,为后续理论分析、模型推导等提供基础研究数据。在深入分析车轮轮刺效应、滑转沉陷机理的基础上,建立高保真度的车轮—土壤相互作用滑转前进模型,并对载荷效应提出修正方法,利用实验数据验证了模型的有效性,并与传统模型进行了对比。基于上述成果,进一步推导了车轮滑移前进模型、侧偏模型、转向模型和前进与转向耦合模型,将崎岖地形中的车轮运动分解为爬坡和沿斜坡行走两种基本运动并进行了受力分析。对星球车轮地相互作用前进模型进行简化,构建了两种封闭解析解耦模型,提出了三种模型参数辨识方法,可以对反映星壤承压特性、剪切特性和轮地作用接触角的8个参数进行辨识,并进行试验验证,实现了对星壤特性的全面表征。基于积分模型的辨识方法具有较高的保真度,基于封闭解析解耦模型的辨识方法适用于参数的实时辨识。进一步推导了反映载荷效应的简化模型,利用El-Dorado II探测车的试验数据进行了Toyoura沙土的参数辨识。对车轮驱动性能评价的绝对及相对性能指标进行总结,包括沉陷指标、牵引能力指标和驱动电机性能指标,并推导公式揭示性能指标之间的内在联系。基于实验数据,从宏观和微观角度分析车轮宽度、半径,轮刺高度、个数和倾斜角度等设计参数对于其性能的影响,进而提出了车轮尺寸与轮刺的设计准则和方法。结合中国“嫦娥”探月工程中的月球车设计要求,进行了车轮设计和性能分析。以车体空间位姿和各关节角度作为广义坐标,采用递归方法建立运动学模型,推导了计算轮地接触点速度和构件质心速度的雅可比矩阵。利用Lagrange动力学方程、Newton-Euler方程等建立了融合轮地相互作用力学的通用星球车动力学模型。解决了车轮土壤相互作用接触区域和接触坐标系的求解这一关键难题。基于Matlab和SpaceDyn进行仿真程序实现,并利用整车测试数据进行验证。对松软崎岖地形中星球车的路径跟踪策略进行研究,建立了非完整运动学模型,设计了基于滑移补偿的转向控制策略进行路径跟踪。提出了基于轮刺痕迹和地面力学的两种车轮滑转率在线估计方法。分析了车轮滑转率与能量消耗的关系,证实了“等滑转率”是能量最优控制可以采用的次优解,利用车体速度前馈和反馈控制策略补偿滑转带来的速度损失。将上述算法融合,提出了时间—能量最优的星球车路径跟踪控制策略。利用仿真验证了算法的有效性和鲁棒性。本文推导了高保真度星球车轮地相互作用积分模型及封闭解析解耦模型,并成功应用于星壤参数辨识、车轮设计、高保真度动力学仿真和高性能移动控制,为松软崎岖地形环境中基于力学的星球车等移动机器人研究提供了解决方案。