基于矢量法的月球车运动学分析

为解决月球车在月球表面上的运动学问题,对月球车在非结构化环境下并且轮地之间存在滑移的情况下的运动学进行建模与分析.在分析多刚体链式机构运动的速度特性的基础上,建立整车速度的矢量表达式,利用矢量分析方法,建立摇臂悬架式月球车在崎岖地形中行进并且轮地之间存在滑转情况的运动学模型.利用ADAMS和MATLAB对运动控制过程进...     

行为控制月球车的虚拟主体避障技术

论述了基于行为代理体的月球车避障技术。由月球地形高程图得到当地水平面下二色障碍图及着色障碍图，利用月球车代理体在障碍图及着色障碍图中进行避障学习与控制，将获得的控制量投影到月球车体坐标系下得到真实地形上的控制量，达到避障控制与运动规划的目的。利用障碍入侵月球车安全线的径向距离作为避障控制器输入，并由月球车目标趋向行为及避障行为输出融合突现出趋向目标的避障行为。仿真结果表明基于代理体的避障控制器设计方法使运行于真实环境下月球车的避障具有很高的可靠性。     

一种双层框架型腿式月球探测车方案

月球车的设计,就行进方式而言,多以轮式车为主。考虑到国外已有的车型及相关研究也多以轮式车为先,这里提出了一种双层框架型腿式车的设计方案,它兼具腿式车和轮式车的优点。文章建立了该型车的三维模型,并利用虚拟样机技术,构建起月球车的动力学仿真环境,并进行了控制算法和步态的设计,通过联合仿真,完成了此车的初步方案设计工作。     

基于天文与速度联合观测的月球车自主导航方法

月球车自主导航系统是其完成月球探测任务的基础和关键,因此针对月球导航的特殊要求设计了一种基于速度和天文联合观测的月球车自主导航方法.首先根据月球表面导航的特殊要求,依据惯性导航的基本原理建立了月球环境下惯性导航系统的姿态、速度和位置误差方程,然后针对月球车载的捷联惯导系统的特点建立了基于速度和天文联合观测的量测方程,由于建立的系统状态方程和量测方程均为线性方程,所以采用了Kalman滤波实现月球车位姿信息的最优估计.仿真结果表明该方法具有很好的位置和姿态估计精度,同时有效抑制了量测噪声对系统性能的影响,是解决月球车自主导航问题的一种有效而实用的方法.     

载人月球车移动系统综述及关键技术分析

以载人月球车的发展和相关技术为对象,首先对国外载人月球车移动系统的概念设计进行了系统的综述,对载人月球车各种概念设计的特点进行了比较和分析,探讨了载人月球车的设计趋势;其次以阿波罗载人月球车移动系统结构为例,分析其移动系统的主要构成作为借鉴;然后从机构学、地面力学及动力学等方面在载人月球车研究中的应用现状进行了综述;最后提出了载人月球车移动系统的关键技术,指明了当前亟需解决的关键技术及难点所在。     

月球车车轮原地转向力学特性分析

为了给月球车的车轮构型设计、动力学分析和模拟仿真提供车轮转向力学参考,基于地面力学理论,分析了车轮原地转向时底面的剪切特性,以及端面和纵向的推土特性,建立了转向阻力矩与松散沙土力学参数及车轮参数间的定量关系。通过分析转向阻力矩与车轮半径和宽度的理论关系,证明车轮宽度对转向阻力矩的影响程度更大。在月球车车轮运动性能测试系统上对3种尺寸的圆柱车轮进行了原地转向实验,验证了利用该理论模型预测车轮原地转向阻力矩的可行性。
     

“玉兔”——将心打造的探月神器

身材小巧，“心眼”不少 “玉兔”号月球车呈长方形盒状，周身金光闪闪，有6个轮子和8个分系统组成（移动导航控制、电源、热控、结构与机构、综合电子、测控数传、有效载荷）。月球车的舱体仅是一副0．75立方米的“小身板”，分上下两层安装各种仪器设备，承载自身重量6倍的大载荷。下舱体安装着电源、控制与驱动机构组件等设备，上舱体安装着太阳翼、桅杆、太阳敏感器等设备。“玉兔”号以太阳能为主要能源，具备20度爬坡、20厘米越障能力，并配备有全景相机等设备。     

一种月球车惯性/视觉组合导航方法研究

基于月球车主要依靠惯性导航和视觉导航的现状,设计了一种惯性/视觉组合导航方法。该方法根据惯性导航原理建立月面环境下的位置、速度和姿态误差方程,并利用惯导前后时刻的观测值计算相对运动参数,基于该参数与视觉导航相对运动观测值之差建立量测模型。该差值只与当前时刻惯导误差相关,避免了对状态的增广。针对量测噪声未知的问题,采用自适应卡尔曼滤波对量测噪声进行在线估计。仿真结果表明,该组合导航方法能提高定位精度以及横滚角、俯仰角精度,减小误差漂移,是一种有效的月球车自主导航方法。     

基于联邦卡尔曼滤波的月球车自主导航方法

月球车自主导航系统是其完成月球探测任务的基础和关键,因此针对月球车导航的特殊要求设计了一种基于天文导航与航位推算相结合的月球车自主导航方法.首先根据月球车运动模型建立了系统的状态方程,然后利用太阳敏感器测量的太阳高度和方位角为观测信息建立了天文子导航系统,以航位推算系统输出的航向角速率和月球车行进距离为观测信息建立了DR子导航系统,并采用了联邦卡尔曼滤波实现导航信息的最优估计和信息综合以增加导航系统的可靠性和容错能力.最后,通过计算机仿真证明该方法具有很好的位置和航向估计精度,同时该方法有效提高了月球车导航系统的可靠性和容错能力,是解决月球车自主导航问题的一种有效而实用的方法.     

含多间隙柔性可展帆板动力学建模及仿真

为研究柔性和多级铰链间隙对帆板展开过程动力学特性的影响，以月球车两级往复可展太阳帆板为研究对象，采用修正Coulomb模型表述摩擦力，通过接触碰撞力描述间隙，运用有限元法进行帆板柔性化，进而建立多间隙-柔性耦合的动力学模型。采用变步长伦哥库塔法进行数值求解，模拟帆板展开过程，分析了多间隙和柔性对帆板质心加速度、铰链间隙碰撞力等参数的影响。结果表明，在保证展开机构刚度要求的前提下，帆板柔性可补偿因铰间隙引起的加速度波动，减弱间隙处碰撞的剧烈程度，减小碰撞力幅值，进而改善帆板展开机构的动态特性。研究结果可用于指导月球车两级往复可展太阳帆板等同类型的可展机构动态优化设计。     

“嫦娥三号”巡视器热试验月面姿态模拟装置研制

月面巡视器在月表移动的过程中,月面起伏和月球(1/6)g重力会对巡视器的热控系统产生不利影响,因此需要在地面试验时对巡视器的热控系统的功能进行验证。文章通过对运动机构在真空低温环境下的适应性研究,研制了一套可以满足"嫦娥三号"巡视器真空热试验中使用的月表姿态模拟装置,该模拟装置通过2套螺旋升降机构实现了巡视器的俯仰和滚动模拟,并经过初样、正样热试验的2次大型试验的使用验证,圆满完成了试验任务,也为以后热试验中运动工装的设计奠定了基础。     

月面巡视探测器地面试验方法与技术综述

“嫦娥三号”任务的圆满完成标志着我国已经突破了软着陆、巡视勘察、月夜生存等一系列深空探测关键技术。由于任务目标以及月面环境的复杂性,对巡视器的地面试验验证工作提出了很高的要求。在研制过程中,不但开展了常规航天器必做的试验项目,还开展了大量的专项试验,充分的地面试验对确保任务的成功发挥了重要作用。文章对“嫦娥三号”巡视器的地面验证需求、验证试验要求、验证试验实施情况进行了分析和总结,主要包括低重力模拟、月表地形地貌模拟、工程模拟月壤的制备与整备、光照环境模拟、月尘模拟等方面,对深空探测器试验方法与技术的发展方向提出了建议。     

月面巡视探测器散热系统方案初步研究

文章利用计算模拟手段分析了月面巡视探测器可以采用的数种散热系统方案的散热能力,并通过比较得出了几种可行的和比较优化的散热系统方案,可为月面巡视探测器的热控设计提供依据。     

一种基于UPF的月球车自主天文导航方法

介绍了月球车自主天文导航原理和传统的迭代解析高度差方法，提出了一种基于月球车运动模型和UPF（Unscented粒子滤波）的自主天文导航新方法。该方法仅需利用由星敏感器和惯性测量单元测量得到的恒星的天体高度，结合月球车的运动模型，通过UPF滤波，即可获得高精度的月球车实时位置信息。计算机仿真结果表明该方法与传统方法相比，定位精度有了大幅提高，同时对几个关键的精度影响因素的仿真分析显示该方法可以有效的减弱量测噪声，星历误差等对系统性能的影响，使系统具有更高的适应能力。     

月面地形地貌环境模拟初步研究

文章介绍了在月面巡视探测器室内试验场建设过程中有关月面典型地形地貌环境模拟的初步工作。通过现有关于真实月壤的物理机械性质的总结,考察了利用火山灰模拟月壤的可能性。通过对比分析两者主要的物理机械性质,可以得出:利用加工的火山灰模拟月壤用于月面巡视探测器移动性能等试验研究是可行的。为今后深入研究月面地形地貌和月面巡视探测器的地面试验进行了有益的尝试。     

基于模糊逻辑的月球车逆运动学求解方法

研究了月球车逆运动学问题，即在月面数字地形图、月球车水平面坐标和航向角给定时，实时估计6轮摇臂转向架式月球车质心高度、位形（configuration）和姿态中的俯仰角和横滚角的问题。分析了6轮摇臂转向架式（rocker-bogie）月球车运动学模型，提出使用模糊逻辑结合虚拟传感器快速实时求解月球车逆运动学问题的新方法。此方法在月球车三维仿真平台中得到验证。实验结果表明此方法求解速度小于1／40s，同时保证月球车车轮到地面的距离小于0．02m。     

带机械臂的月面巡视探测器的路径规划方法研究

针对巡视探测器路径规划和机械臂路径规划的不同和两者需要依次执行的连接需求,文章将月面巡视探测器的路径规划过程分为三个阶段：巡视探测器的路径规划、机械臂的路径规划、器臂动态联合的路径规划,针对不同的规划分别提出了不同的规划方法,并进行了仿真验证。研究结果表明,巡视探测器的整个路径规划是一个复杂的运算规划过程,在非结构化月面环境下,基于月面三维数字高程图采用改进的启发式搜索（A＊）算法,可以比较高效地完成巡视探测器的路径规划;在采用蒙特卡罗法建立机械臂可达工作空间的基础上,可以比较简单、准确地获取机械臂的规划路径;巡视探测器整个就位探测过程的实现需要两种规划的动态联合。     

月球车驱动轮在模拟月壤上的沉陷特性实验分析

车轮沉陷量是影响月球车通过性能的关键因素之一。文章用一种月球车的刚性车轮在模拟月壤上进行了以不同滑转率滚动的沉陷量测试实验;根据模拟月壤的加载和重复加载力学特性模型,探讨了车轮首次通过和重复通过的沉陷量的计算方法,计算结果与测量值的差小于8%;进一步分析了等重的两轴和三轴月球车的后轮沉陷量。     

月面巡视器实时动力学建模与牵引控制

为实现月面巡视器GNC系统的闭环测试,研究了六轮摇臂式巡视器在月表崎岖地形、松软土壤和低重力环境下的动力学建模与控制问题。基于弹塑性轮—土力学和粘弹性运动副约束分析,建立了巡视器的牛顿—欧拉动力学模型。以跟踪期望速度、角速度为目标,采用速度协调控制和车轮滑移控制,完成了巡视器闭环牵引控制。在实时操作系统下实现了巡视器动力学模型和牵引控制系统,并建立了三维可视化平台,对该动力学模型和牵引控制方法进行验证。测试结果证实了建立的动力学模型准确、稳定,可以真实地模拟巡视器在月球表面的运动行为和轮—土作用关系,且满足运动副的约束;所设计的牵引控制方法可以较准确地实现巡视器跟踪期望的运动。