火星表面沙石遍地,是一种典型的非结构化地形。本文以主动悬架式火星车为研究目标,针对火星车在非结构化环境下行驶的移动性能问题,利用主动悬架式火星车构型可调节特性,提出了火星车构型与轨迹优化控制算法。首先,通过建立火星车整车坐标系,并从火星车被动关节角度、轮-地接触角度、火星车转向工况分析等几方面出发,对火星车进行完整运动学建模与分析。其次,结合火星车车载传感器等信息,以火星车夹角调整机构的关节角度为变量,推导得出火星车在火星表面环境下的稳定裕度数学模型。并使用内点法求解火星车在当前行驶状态下的稳定裕度最优解,以及夹角调整机构的关节期望角度。基于此期望角度,对其进行规划与控制,实现火星车悬架机构构型的优化,从而提高火星车在非结构化环境下的行驶稳定裕度。接着,通过考虑火星车克服自身重力做功以及单关节控制器内部损耗等因素,推导得出火星车在火星表面行驶的能量消耗函数,并求解其最小值,构建能量消耗带权图。基于已搭建的能量带权图,通过使用迪杰斯特拉图搜索算法,计算得到能量消耗最少路径。最后,本文基于火星车Adams动力学模型,使用Matlab搭建运动控制系统并进行联合仿真分析,用以验证本文所提算法的有效性。结果表明:1、本文搭建的运动学模型可以精确地描述火星车运动关系;2、通过使用稳定裕度优化控制算法分别使火星车单侧车轮越障工况以及爬坡越障工况中稳定裕度提高42.96%和34.07%。通过使用该算法,火星车可以避免倾覆并顺利完成坡面单侧车轮越障工况;3、通过使用基于能量约束的火星车路径规划算法,可以大幅度提高火星车的能量利用效率。