一种共轴双旋翼式火星飞行器设计及其试验验证

针对火星飞行器探测需求,提出了一种共轴双旋翼式火星飞行器,基于计算流体力学方法优选了桨叶翼型、平面形状和扭转角等结构参数,基于叶素动量理论建立了旋翼气动力学模型,利用数值模拟方法选择了旋翼转速、旋翼间距和桨叶安装角等飞行参数,设计了原理样机"火星飞鸟-I"的结构与控制系统。构建了火星大气环境模拟器和重力补偿与运动约束装置,开展了模拟火星环境下旋翼式飞行器地面飞行试验,验证了共轴双旋翼式火星飞行器的推进性能,展望了旋翼式火星飞行器技术的发展方向。研究成果对我国开展的火星探测工程具有重要借鉴价值。     

一种用于运动目标捕获的行星轮差动式欠驱动臂

为解决运动目标捕获过程中的碰撞问题，采用欠驱动自适应原理研制了具有碰撞能量吸收能力的机械臂。三自由度的机械臂由2个电机驱动：基关节由单个电机驱动；中关节和末关节由一个单输入双输出行星轮组完成动力分配。在机械臂捕获运动目标过程中，碰撞产生的部分冲击能量通过欠驱动行星轮组传递到末关节，转化为关节动能。依靠欠驱动机械系统完成对碰撞的响应，解决了控制系统因时延而无法快速对碰撞进行响应的难题。为完成对目标的抓取，基于阻抗控制提出了机械臂运动目标捕获控制算法。运动目标捕获实验验证了机械臂对碰撞的快速响应能力及运动目标捕获控制算法的可行性。     

摇臂探测车折叠式悬架的综合评价与设计分析

悬架是探测车车体与车轮的连接部件,对整车体积影响较大。为减小探测车在着陆器内所占的空间,将悬架设计成可折叠展开形式。概括了可折叠悬架展开的特点及其设计要求。针对同一展开悬架构型,提出了4种可折叠悬架的构型方案,对它们进行了模糊综合评价,确定了综合性能最优的一种构型。设计了一种弹簧驱动的可折叠悬架,并分别对折叠和展开状态悬架进行有限元分析,结果悬架的刚度和强度均满足设计要求。最后对悬架的展开过程进行了动力学仿真分析,得到了车体质心的垂直加速度和速度曲线。结果发现,在采取改进措施后,车体质心垂直加速度明显减小。     

封闭式行星轮系功率流判别的键合图法

为更简单清晰地对封闭式行星轮系的功率流情况进行判别,利用键合图能量守恒和功率流动的特点,将键合图理论应用于该类轮系的功率流分析中.以功率汇流型、回流型2种形式的封闭式行星轮系为例,根据轮系的传动关系,利用绝对速度法建立轮系的键合图模型,根据提出的功率流向判别依据对轮系进行功率流向判别,得到整个轮系及其转换机构的功率流情况,为轮系的效率计算提供了基础.该方法适用于其它复杂轮系的功率流判别中,比传统方法更具直观性、系统性.     

光致伸缩作动器对开口球壳的主动振动控制

基于电压源模型,推导出薄膜式光致伸缩作动器应变与光强的本构关系。建立光电层合球壳系统动力学方程及模态控制方程。利用规格化后的模态控制因子对球壳子午线方向及圆周方向的薄膜与弯矩效应进行评价,不同位置下的模态控制因子为作动器布局优化提供了依据。将LQR控制算法与光源激励策略相结合,确定光电层合球壳系统的主动控制策略。进行主动振动控制仿真,得到球壳位移及控制光强响应曲线。仿真结果表明,在较低能量的控制光强下,光致伸缩作动器可实现对球壳的主动振动控制,且振动抑制效果明显。     

月球车轮刺效应的理论分析与实验研究

轮地相互作用地面力学在星球车研究中有着重要意义,目前对于轮地作用中的轮刺效应研究尚不充分.基于Rankine被动土压力理论,分析轮刺与土壤作用的两种工作方式,推导了形成稳定剪切土环时轮刺高度与个数之间的关系式和保证连续剪切的轮刺倾斜角度计算公式.采用轮地相互作用测试系统对宽度为165mm,半径分别为135mm和157.35mm的月球车车轮,改变轮刺高度、个数和倾角进行实验,验证了理论分析结果.同时得到如下结论:增加轮刺高度可以提高车轮的牵引性能,轮刺高度为15mm时,比光滑车轮的最大牵引力提高达60%;增加轮刺个数有助于形成稳定的剪切土环;轮刺的倾斜角度可以减小车轮的振动幅度;车轮的牵引力随滑转率增加而增大,但最好将滑转率控制在0.4以下.研究成果为月球车轮刺设计和进行轮地作用力预测提供了依据,并可应用于类似的火星车和地面车辆等.     

崎岖地形中关节式月球车姿态估计数值求解方法

 以被动关节式地形自适应月球车为研究对象，融合关节机器人D-H坐标建模方法构建了月球车悬架运动学模型和以侧倾、俯仰和偏转角表示姿态的欧拉角方式建立了车轮到世界坐标系的悬架完整表达模型。利用悬架完整表达模型，用带有迭代因子的连续迭代和离散迭代数值求解方法，建立了光滑和离散崎岖地形姿态估计算法。最后以8轮扭杆双摇杆摇臂月球车原理样机为例来验证此模型求解方法。仿真结果验证了所建立的基于数值方法的崎岖地形被动关节式月球车姿态估计模型的正确性，其求解模型精度能够满足仿真要求。     

月球着陆器用金属橡胶高低温力学性能试验研究

金属橡胶作为一种有弹性的阻尼元件首次用在月球着陆器原理样机中。采用Э 71型低温万能拉伸实验机对圆环状金属橡胶试件进行了月球温度范围内的准静态刚度实验,得出了力 位移实验曲线。采用最小二乘法对试验曲线进行了数据拟合,用Matlab编程计算得出了金属橡胶试件力 位移回归方程。采用自由衰减法和冲击实验法分别对金属橡胶试件高、低温阻尼比和动力学特性进行了测试,最后得出了金属橡胶适合于用做月球着陆器中缓冲元件的结论。     

铰链对含铰结构非线性动力学特性影响分析

针对可展结构中铰链带来的展开后非线性动力学问题,建立了含铰结构的动力学模型。基于铰链侧向和径向的几何约束关系,分析了不同约束条件下的铰链非线性特性。基于谐波平衡法(HBM),对含铰结构的非线性变量进行一次谐波展开,得到铰链非线性力的谐波展开表达式,将含铰可展结构的非线性动力学方程转化为代数方程。分析了铰链在不同非线性特性下各参数对结构动态特性的影响,得到结构固有频率随铰链间隙、刚度和激振力的变化规律。考虑铰链的非线性特性,通过固有频率脊线求解,得到结构固有频率极值随铰链数量、位置和刚度的变化曲面,并对其进行非线性拟合,得到铰链参数对结构固有频率的影响函数,其计算方法和结果在多维复杂结构中具有一定的扩展性,为可展结构的设计和研究提供参考。利用龙格库塔法对非线性结构进行数值仿真,得到结构的固有频率变化曲线,仿真结果表明了利用HBM进行含铰结构动力学分析的正确性。     

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。