基于相似理论的星球车牵引通过性模型

深空探测车辆在星球表面巡视过程中,应避免过度沉陷,保障其可靠的通过性能具有重要意义。月球和火星表面重力加速度分别约为地球表面重力加速度的1/6和2/5,地面实现低重力环境的模拟具有一定局限性,因此基于相似理论进行轮壤相互作用系统的量纲分析,研制二分之一缩比模型车;开展缩比模型车轮壤试验,重点研究滑转条件下车轮沉陷行为和牵引特性;基于地面力学理论,结合轮壤接触应力分布的线性化方法,建立与沉陷和滑转率相关联的星球车挂钩牵引力预测模型。通过土槽试验数据对模型进行验证,结果表明该模型具有较高的准确性。能够为星球车通过性评估提供一定的理论技术基础。     

基于月球车轮地作用地面力学积分模型的月壤力学参数辨识方法

月壤力学特性参数的研究可以使人们了解更多的星球地质学信息,也是进行月球探测车等设备开发以及未来从事人类月球活动的工程基础.利用月球车轮地作用测试平台和模拟月壤对6种不同尺寸和轮刺的车轮进行试验,利用传统压板试验和剪切试验测量土壤力学参数.针对月球车轮地作用地面力学积分模型进行耦合度和参数敏感度分析,进而将8个力学参数分...     

基于轮地作用参数和PLSDA方法的月壤力学性能评估

为评估在轨月球车周边环境月壤力学性能,以月球车辙信息、轮上载荷和滑转率作为基本参数,提出了16个二元及三元标识量,结合偏最小二乘判别方法(PLSDA)建立评估月壤力学状态模型。根据容重对模拟月壤力学状态进行分级,分别为松软状态、自然状态和紧实状态。应用轮壤相互作用试验台共采集247组试验数据,每种模拟月壤状态的试验数据按照2:1比例随机划分为校正集样本和预测集样本,最终校正集和预测集样本个数分别为166和81个。考虑到原始数据值相差大和所提出部分标识量包含冗余信息的特点,因此在建立PLSDA模型时,应用均值中心化预处理方法对原始数据进行数据预处理,并优选10个标识量建立识别月壤力学状态的PLSDA模型,对应的校正集的准确率和预测集的准确率分别为90.96%和90.12%。结果表明,应用PLSDA方法并结合月球车的车辙信息、轮上载荷和滑转率以及优选标识量所建立的评估月壤力学状态判别模型,其计算快速准确,可用于月球车在轨评估车轮前方月壤的力学特性和通过性能评估。     

可折展载人月球车移动性能仿真与试验分析

为更加有效地研究载人月球车移动系统低重力环境下的移动性能,建立了载人月球车仿真模型,并对地月两种不同重力环境下的移动性能进行了仿真对比分析,在地面重力条件下极限越障高度明显降低。轮地相关参数不变,仅改变重力加速度,仿真得到载人月球车移动系统地面重力下最大可爬坡角度小于月面重力下可爬越最大坡角。同一越障高度,土壤相关参数一致,重力加速度不同的情况下,地面重力条件下移动系统质心加速度明显大于月面重力条件下的质心加速度值。在移动性能仿真分析基础上,对可折展载人月球车移动系统地面原理样机进行了搭建,在保证地月不同重力环境下车轮及悬架承受的有效载荷一致的前提下,在地面重力条件下,利用实验室松散沙土模拟月壤进行了越障和爬坡等通过性能试验,验证了所设计的移动系统满足设计约束要求,为后续载人移动系统的深入设计奠定了基础。     

火星表面土壤力学性能参数研究

行星表面的土壤力学特性及基于轮壤接触力学的牵引性能是星球车行走系统设计过程的重点。以车辆地面力学理论为基础,总结分析了月壤及火星土壤力学参数特点。基于模拟月壤力学参数模型建立方法,提出疏松细粒类、适中块状类、密实硬质类三种类型的模拟火星土壤力学参数模型,涵盖火星表面从低承载力到硬实地面的表层土壤类型,为模拟火星土壤制备、建立火星车轮壤力学模型、进行星球车行走系统设计及地面牵引性能试验提供技术支持。     

“嫦娥三号”成功登陆月球

“嫦娥三号”着陆器和“玉兔号”月球车成功着陆和巡视月球表面,实现了嫦娥工程的第二阶段目标,验证了一系列月球软着陆和环境适应技术。     

轮地力学模型参数灵敏度分析与主参数估计

在星球探测过程中,星球车需要估计地面力学参数以及时调整控制策略,快速适应地形变化。针对形式复杂,参数耦合的轮地相互作用模型,采用Sobol灵敏度分析方法,分别对模型中的地面承压特性参数和剪切特性参数的灵敏度进行定量分析,筛选出沉陷指数与内摩擦角作为模型的主导参数,用于反映地面承压特性和剪切特性的变化。基于轮地相互作用力学平衡方程,通过简化应力分布公式,进一步推导出主导参数的解析表达式。通过以典型值固定非主导参数,利用系统状态参数和滤波处理完成地面力学特性主导参数的估计。结果表明,所提出的地面力学主导参数解析式及相应的估计方法能够快速反映地形的变化,沉陷指数估计的平均相对误差为2.8%,内摩擦角估计的平均相对误差小于3%。估计结果可准确预测车轮牵引力,为实现实时控制提供必要信息。     

月面环境三维激光SLAM技术

同步建图与定位（SLAM）可实现月球车在未知复杂月面环境下的定位与导航,月球表面由陨坑、石头等起伏地形构成,缺乏树木、建筑物等地面存有的显著特征,大量特征不显著的点云数据会对月球车定位精度和实时性造成影响。本文提出了一种针对月面环境的显著特征点云提取方法以及基于曲面定位能力估计的增量式优化算法,通过Fisher信息矩阵计算曲面定位能力指标,获取机器人位姿估计的不确定性测量,利用增量式的SLAM方案进行优化,用于提高定位精度与实时性。通过在Gazebo （物理仿真平台）仿真场景下的测试,验证了算法性能。     

GH4169合金的循环本构模型研究

为研究GH4169合金在高温环境不同载荷条件下的非弹性响应力学行为,对其开展650℃下单轴拉伸和恒温低周疲劳试验,采用Bodner-Partom (B-P)统一本构理论对其力学行为开展数值模拟研究。通过试验,获得GH4169合金高温单轴拉伸曲线及半应变幅为0.65%,0.75%及0.85%下的循环曲线,基于B-P理论并结合有限元方法,引入介于0～1的缩小因子,研究了本构方程隐式积分新算法,通过ABAQUS用户子程序,计算得到GH4169合金不同载荷条件下的数值模拟曲线。计算曲线与试验曲线均具有较好的一致性,说明B-P模型能较合理地建模GH4169合金的高温非弹性响应力学行为,同时验证了本文模型的完整性和计算程序的正确性。     

椭圆三体问题下月球L2低能逃逸轨道设计

针对圆形限制性三体问题下求解月球探测器逃逸轨道时,不能充分利用月球椭圆公转动力学特性节约逃逸能量的问题,对动力学模型进行拓展,在椭圆三体问题下建立月球探测器轨道动力学方程与能量表达式。首先通过理论推导,求解了探测器逃逸所需的发射能量与逃逸过程中的轨道能量随月地椭圆相对运动状态的数学表达式,对其进行分析发现,同一环月轨道上出发的逃逸探测器所需发射能量与地月距离呈正相关,而逃逸过程中探测器轨道能量变化与地月相向运动速度呈正相关,从而得出在月球接近其近地点过程中发射逃逸探测器可以最大限度节约发射能量的结论。在此基础上,引入庞加莱截面法设计探测器最低能量逃逸轨道。通过寻找使逃逸轨道所在不变流形的庞加莱截面收缩为一点的发射位置与能量,求解不同地月相位下的逃逸轨道能量需求,进而迭代求解能量最优逃逸轨道。最终,通过对比仿真结果得到,月球真近角为283°时发射逃逸探测器将最节约能量,与理论推导的结果相吻合。相对于圆形限制性三体问题下推导的最低逃逸能量,采用椭圆三体模型设计的低能量逃逸轨道可以节约8%左右的发射能量,对于深空探测等任务来说具有明显优势。     

月球巡视探测器自主定向算法研究

月球巡视探测器自主导航是其能在月面执行探测任务的关键,而定向又是月球巡视探测器自主导航的一个重要组成部分,其定向精度将直接影响到月球巡视探测器定位性能。将CCD(ChargeCoupleDevice)太阳敏感器应用到月球巡视探测器上,用太阳敏感器测量太阳位置矢量,结合加速度计测量的重力矢量,利用QUEST算法推算了月球巡视探测器的姿态和航向,为月球巡视探测器构建了一套适用于长时间、长距离导航的绝对定向方案,通过理论分析和实际推算描述了该定向方案的具体实现过程,最后以仿真结果验证了该方案的可行性,为下一步月球巡视探测器定位研究提供了技术参考。     

不同粒径分布模拟月壤承压特性试验研究

月壤的承压特性决定月面巡视探测器的行驶阻力和沉陷,是影响月面可通过性的主要特征之一。为了得出不同粒径分布的模拟月壤在巡视器地面载荷和月面载荷下的承压特性,通过压板试验获取了3种不同粒径分布模拟月壤的承压性能曲线与参数。分析表明:粒径分布对模拟月壤承压性能影响大,粒径粗且分布均匀的JLU-1模拟月壤承压能力最强,其次为JLU-3模拟月壤,而粒径细且分布窄的JLU-2模拟月壤承压能力最弱;3种模拟月壤的变形指数在其他模拟月壤的范围内,松软状态时接近月壤值,在小载荷作用且松软状态时变形指数小于1;3种模拟月壤的内聚模量在其他模拟月壤的范围内,但大于月壤值;松软状态时3种模拟月壤的摩擦模量在其他模拟月壤的范围内,中密和密实状态下均大于月壤值。研究结果对月面探测器行走机构的仿真和路径规划具有参考意义。     

玉兔号巡视器导航定位中的多目标管理方法

基于多目标管理方法,阐述了玉兔号巡视器定位多目标管理的概念。兼顾技术成熟度、定位效率、冗余验证和阶段化分层管理等原则,对玉兔号巡视器着陆点和导航点的定位方法进行建模及分析比较,给出对应的定位方案。最后,将基于此多目标管理方法制定的方案,应用于玉兔号巡视器的定位任务,定位精度优于亚像素级,相对定位精度优于4％。     

月球车释放对着陆器稳定性的影响

因基于摇臂式月球车释放机构在月球车释放时对着陆器的倾翻力矩较大,易使着陆器倾翻而导致整个探测任务失败,所以对月球车着陆释放时着陆器稳定性的研究尤为重要.将着陆器腿不等量压缩、月面坡度、低重力环境、释放加速度等因素进行参数化处理;应用D-H坐标法得到基于各参量的支撑多边形坐标以及着陆器和月球车的位姿方程,进而建立了月球车...     

一种月球车视觉系统的匹配算法

 对采用双目视觉来实现月球车自主导航提出了一种快速匹配的方法。首先,对相机的内外参数进行精确地标定,通过两相机的外参数对图像进行核线纠正,生成消除上下视差的核线;然后,在核线图像上,采用相关系数法进行由少到多的粗匹配,对匹配结果进行多重的检验,接着用最小二乘方法进行亚像素的精确匹配;最后,在匹配的像点间构建Delaunay三角网,建立两图像重叠区域的匹配关系,实现稠密匹配。对该方法进行了多组实验,实验结果表明:该方法可以快速、可靠地实现稠密的图像匹配。     

月面巡视机器人快速安全路径规划

为提高月面巡视机器人自主探测任务的效率及安全性,提出了一种基于月面数字高程地图的大范围自主探测快速安全路径规划算法。首先根据获取的月面数字高程地图设计了一种地形可通过性分析方法,并生成了欧几里得距离地图（EDM）为安全路径规划提供参考。然后针对A^*算法解决月面巡视探测问题时搜索速度慢、未考虑路径安全性的问题,提出了FSA^*算法,改进了A^*算法的搜索机制以适用于月面大范围路径的快速搜索,并结合EDM地图设计了一种安全启发式函数,可使生成路径尽量远离危险区域,提高了巡视机器人自主探测过程的安全性。最后选取月球艾特肯盆地区域作为仿真场景,验证了该算法的有效性。