月球车轮与月面相互作用的两种仿真模型的比较与应用

文章进行了月球车单个车轮和模拟月壤相互作用的初步研究,并将两种不同轮下分布模型得到的单轮力学性能仿真分析的结果和土槽试验结果进行了对比,从中选出合适的模型对车轮的牵引性能进行仿真计算。根据试验结果,利用动沉陷量-滑转率之间的线性关系获得了动沉陷系数,然后对不同垂直载荷、不同表面形状车轮牵引力的变化规律进行了预测,并进行了相应的试验验证。     

一种基于单应的月球车车轮沉陷视觉测量方法

在月面环境下车轮沉陷严重地影响月球车的移动性能和定位精度,针对现有基于视觉的车轮沉陷检测方法存在系统误差等缺陷,提出了一种基于单应的月球车车轮沉陷视觉测量方法。首先通过分析指出现有的基于视觉的车轮沉陷检测方法存在系统误差。然后引入三维空间中车轮侧面所在平面与摄像机图像平面之间的单应,把由图像处理技术得到的车轮沉陷信息从图像平面变换到车轮侧面所在的平面,在三维空间中计算车轮沉陷,从而消除了现有方法中的系统误差。通过限定感兴趣区域以及引入一维空间滤波器,在图像中检测车轮沉陷信息更加快速、鲁棒。仿真数据实验以及月球车原理样机在模拟月面地形下的真实图像数据实验都表明新方法是有效可行的。     

刚性轮与模拟月壤相互作用初步研究

文章在初步总结当前月球车轮与月面土壤相互作用研究成果的基础上,利用自主开发的仿真平台开展了刚性车轮和模拟月壤的相互作用的仿真计算,并与土槽试验结果进行了初步的对比研究。研究表明,仿真结果和试验的测量值误差在30%以内,尤其在车轮的垂直沉陷量的计算上和试验结果一致性较好,从而验证了轮-土相互作用的模型的局部合理性,但是在切向力的计算上还存在一定的误差,需要继续完善。     

月球车驱动轮牵引性能研究

研究在月球表面环境下行驶的月球车牵引性能,对保证其正常探测工作具有重要意义。以长白山火山灰为主要原料制备了应用于月面车辆力学试验中的模拟月壤,研制了月壤-车轮土槽测试系统,对有刺轮与光滑轮进行了牵引性能试验。试验结果表明,有刺轮的最大挂钩牵引力(DP)为光滑轮的5.2倍;当滑转率为10%时,有刺轮在硬路面上的DP为其在模拟月壤上的6.7倍。在此基础上,通过离散单元法(DEM)对驱动轮与月壤相互作用关系进行了细观分析,模拟出驱动轮下月壤颗粒的受力、位移、速度的分布规律及无牵引阻力条件下驱动轮的牵引性能。研究结果为月球车的性能评估和面向月球的高通过性行走机构研制提供基本方法和基础数据。
     

模拟月壤力学性质的试验和仿真研究

文章通过常规3轴试验对某模拟月壤的本构特性进行了研究,根据3轴试验结果获得了模拟月壤的duncan-chang模型参数,在abaqus软件平台上通过umat子程序实现了duncan-chang模型在模拟月壤分析中的应用,并进行了相应的试验验证.之后,文章就内摩擦角、粘聚力参数变化时模拟月壤剪切变形关系的变化及低围压下自重应力对模拟月壤性质的影响进行了仿真分析,结果发现和内摩擦角、粘聚力等参数相比,初始自重应力对模拟月壤的剪切特性影响不大.     

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。
     

计算模拟月壤颗粒吸收及散射特性的一种球叠加模型

针对模拟月壤复杂的外形特征以及多相非均质的微观结构,提出了一种计算模拟月壤颗粒吸收及散射特性的球叠加模型。根据模拟月壤颗粒的形状指数和分形特征识别结果,归纳了4种主要的模拟月壤颗粒类型,并采用蒙特卡罗光线跟踪法研究了这4种颗粒在单色平行光照射下的吸收及散射特性。与已有的非球形颗粒辐射特性的算法比较显示,该模型具有良好的计算准确性。在数值计算的基础上,分析了颗粒尺度参数及光学常数对其自身辐射特性的影响,并通过改变平行光照下的光线入射角度,分析了非球形颗粒的朝向对其自身辐射特性的影响。由计算结果推断,该模型不仅可以应用于计算模拟月壤颗粒的辐射特性,还可以满足其他适用于几何光学近似的非球形粒子。     

载人月球车单轮月面直线加速行驶的模拟算法

当载人月球车(LRV)的车轮在地面与月面使用相同的驱动方式时,重力加速度的不同会导致其产生完全不同的直线运动加速度。针对上述问题,以单个车轮为研究目标,首先建立车轮垂直载荷、挂钩牵引力、驱动力矩的力学模型,分析月面与地面重力条件下能够产生相同直线加速度的车轮运动条件,然后推导同直线加速度运动时车轮力矩驱动的模拟算法。最后,对比月面、地面采用模拟算法、地面不采用模拟算法的三种情况下单个车轮直线加速度,验证模拟算法。计算结果表明:采用模拟算法驱动的地面车轮在与月面同质量或同垂直载荷情况下均可保持相同的直线运动加速度,而不使用模拟算法的地面车轮无法获得相同的直线加速度。     

着陆冲击仿真月壤本构模型及有限元建模

为建立合理的月壤有限元模型用于着陆器着陆冲击动力学仿真分析,在对已知月壤的相关力学特性参数和试验数据进行分析推理的基础上,推断出月壤屈服面在低围压条件下可能会呈现出剪切膨胀特性,而在高围压条件下则可能会呈现出塑性压缩和应变硬化特性,因此定性地选择帽盖德鲁克-普拉格（Cap Drucker-Prager,CDP）模型作为月壤本构模型。模型的参数通过月壤或模拟月壤的试验数据定量地标定。对着陆器地面着陆冲击试验进行有限元建模和仿真分析,仿真结果表明：模型参数的标定方法是合理可行的;CDP模型可以准确模拟月壤在着陆冲击载荷下的动力学响应,可用于着陆冲击动力学仿真月壤有限元建模。对月壤模型参数进行了参数分析,并评估了月壤模型参数对着陆器着陆冲击性能的影响。     

哈尔滨工业大学推出8轮月球车样机

2008年6月中旬,哈尔滨工业大学副校长邓宗全教授率领的团队推出国内唯一的8轮差动扭杆弹簧式月球车样机。车体部分包括2副能够重复展开和定位的太阳翼以及相机桅杆,还有定向天线、全向天线、前后避障相机、电源系统和主控系统,能自如地爬越模拟环境中的石头、斜坡等障碍物,轻松地跨过深坑。8个车轮独立驱动,4个角轮是转向轮,可灵活转向。这辆车的移动系统构型已获国家发明专利。     

模拟月尘对巡视器车轮轮轴材料的磨损试验研究

文章以CE-3巡视器车轮轮轴为研究对象,利用北京卫星环境工程研究所的月尘环境模拟器、摩擦磨损试验机以及自行研制的模拟月尘,对车轮轮轴主要材料进行了磨损试验研究。试验样品为轮轴常用的铝合金、聚四氟乙烯及轴承钢。文章分析了试验前后样品的表面形貌,采用测试系统获得了轮轴材料在不同试验条件下的摩擦系数曲线,采用电子天平测量了材料的质量损失;分析了真空、大气、有无月尘等试验条件以及材料本身在磨损试验中的效应。研究结果可为月面巡视器等月面应用设备的研制提供可借鉴的信息。     

月球表面及月壤内温度分布特征的数值模拟

文章建立了月表辐射与月壤内二维非稳态导热的耦合传热模型,采用控制容积法数值模拟月壤内的温度分布,主要研究了月表、月壤内温度的分布和变化规律及探测器对局部月表温度的影响。计算结果表明一昼夜期间月壤内存在明显的温差:浅层月壤处的昼夜温差较大且受纬度的影响明显;随着深度的增加,月壤昼夜温差降低并趋于稳定,且受纬度的影响较小。探测器的存在遮挡了月表接受的太阳辐射,导致其阴影区域内月表温度发生突变,新的平衡温度接近探测器底面温度,且受探测器驻留时间的影响较小;当探测器移开,月表温度又迅速恢复到原有的变化规律。     

一种新型复合构型月球车的越障特性分析

将轮式、腿关节式、履带式三种机构结合起来设计了一种月球车,此车对低重力条件下的月球表面实际环境具有良好的适应性。月球车在起伏不平的地表环境中具有独特的动态特性,通过对月球车障碍地形下的越障运动过程进行理论建模和数值仿真,进而建立虚拟样机模型进行动态仿真对比研究,分析了月球车的越障特性,验证了机构设计的有效性。     

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。     

模拟月壤研究及其在月球探测工程中的应用

在月壤化学成分、物理力学性质等方面研究结果的基础上,文章对国内外模拟月壤的研究进展进行了综合分析,重点阐述了服务于我国嫦娥探月工程的科学探测仪器标定、着陆器组合缓冲性能试验、巡视器移动试验、月表采样试验等研制任务的模拟月壤研究成果及应用情况,包括模拟月壤原料选取及制备工艺,模拟月壤试验场的铺设方法等,结合载人登月等任务需求提出了未来研究工作的发展建议。     

开发月球车用的月表环境的地面模拟方法研究

当前中国正在进行自己的探月工程,预计将会发射月球车登陆月球表面.在研制月球探测器过程中,为了在地面验证月球车的可靠性和各项功能(如着陆冲击、自主巡航和遥控),必须建立相应的地面试验中心.根据目前对月球表面环境的认识和现有的仿真技术,文章提出了实现月表综合环境模拟的试验设施的设想.由于月球表面环境非常恶劣并且月表的地形也非常复杂,文章提出了一种组合式月表环境模拟器的设想.主要部分是模拟各种月貌特征(如陨石坑、斜坡、沟壑等)的可移动单元.每个单元是一个用模拟月壤制作的小沙盘,其化学成分、组成颗粒分布和力学性能和已经获取的真实月壤样品相似.根据不同的试验要求,选择相应的单元按照一定的规律组合成为试验场.这样在有限的场地面积内可以按需实现对月表不同地域的地貌特征模拟.同时,可以选择少量单元的组合构成更小规模的试验场,以方便与其它环境模拟器(如落塔,热/真空容器等)联合,实现模拟月表的综合环境.     

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。