可变直径轮月球探测车运动学建模与分析

针对月球探测的特殊要求,设计了具有滚动扭转转向特性的四轮直径可变月球探测车.通过对可变直径轮的原理进行分析,推导出车轮等效半径的公式.根据该月球探测车的结构特点,以闭链坐标变换和瞬时重合坐标法为基本工具,推导了四轮可变直径轮月球车基于三维地形环境的正、逆运动学模型,分析了相关的运动学特征,提出了运动学逆解的理论解法和实用解法.实用解法有效地降低了计算量.并提出了用车轮等效半径调整探测车辆俯仰角度的方法,提高了月球车的稳定性和通过性能.该研究结果为四轮月球探测车的结构分析与运动控制提供了有力的基础.      

月球车刚性车轮与土壤相互作用的力学模型与测试

基于车辆地面力学中土壤的承压、剪切特性以及土力学中被动土压力理论,建立了月球车刚性车轮在松软土壤上前进和转向的轮地作用力学模型;通过数值计算,分析了土壤参数变化及车轮运动滑转率变化对挂钩牵引力、驱动力矩和转向力矩的影响;设计了一套车轮性能参数测试系统,对所设计的一种刚性车轮在松软土壤上运动的力学特性进行了初步的实验测试,并与所建立的力学模型进行了验证分析.      

四驱全地形车可变直径轮软土牵引特性分析

为解决常规地面车辆及传统车轮在沙地、滩涂等松软地域行驶或作业时存在通过性差、效率低、能耗大甚至无法行驶的问题,自主创新设计出四驱可变直径轮轻型全地形探测车,车轮具有可张开成为弹性步行轮和合拢成为刚性圆车轮2种工作轮态.基于贝克模型的经典地面力学理论,分别建立了可变直径轮张开轮及合拢轮态时与3种典型松软沙土交互作用关系的力学简化模型,计算并对比分析了可变直径轮两种工作轮态的挂钩牵引力和驱动力矩、牵引效率等随滑转率的变化关系及车轮接近角与沉陷量关系.结果表明车轮的挂钩牵引力、驱动力矩和牵引效率等均受到车轮滑转率及软土特性参数的制约,在松软路面上可变直径轮张开步行轮比合拢圆轮能产生更大的挂钩牵引力、驱动力矩、牵引效率和更小的沉陷量,更有利于提高车轮的软土牵引通过性.分析结果可作为后续实验研究对比的参考.     

早期月球探索（1965-1969）

<正>在太空竞赛期间，美苏两国仅仅花了10年的时间，就完成了离开地球轨道、飞掠月球、撞击月球、环绕月球等一系列进展。自此之前，人们一度认为月球表面太过松软，任何物体落在表面都会陷进月球的土壤里去。无人着陆器的成功，给了人类实现载人登月任务巨大的信心。把人送到月球是前无古人和后无来者的创举，也是美苏太空竞赛的顶峰。     

一种新型轮爪式车轮设计与性能仿真

针对当前行星探测车车轮的缺点和不足,结合行星表面的复杂环境,设计了一种新型轮爪式行星探测车车轮,其主要创新点在于车轮的轮爪.对新型车轮进行了受力分析,推导出车轮平稳运动的条件,为设计者提供了一定的理论依据.用Pro/ENGINEER软件建立了探测车的三维模型,并用ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)软件对行星车进行了运动学和动力学仿真.仿真结果表明新型车轮具有较强的越障能力,可以翻越高度超过车轮半径1.4倍的台阶,也可以跨越宽度超过车轮直径的壕沟,能够适应各种地形环境,基本克服了当前行星探测车车轮存在的缺点和不足.      

深空探测车可变直径车轮牵引通过性分析

提出了一种可变直径轮深空探测车,其具有结构紧凑、越障能力强、重心低、运行平稳等优点.考虑了月球重力环境和月壤的力学特性,应用基于贝克模型的地面力学理论,分析了深空探测车可变直径车轮与月壤间的相互作用,对轮片展开和车轮下陷做了合理的简化,对不同滑转条件下探测车轮的挂钩牵引力、驱动力矩和驱动效率进行了计算,结果表明车轮的展开减小了推土阻力,车轮的挂钩牵引力和驱动效率都比车轮收缩状态有了明显的提高,并获得了使驱动效率达到最大值的滑转率的范围.      

月面巡视探测器动力学建模

动力学模型是研究星球探测车运动的基础。以某月面巡视探测器原理样机为背景,建立了其动力学模型,并进行了数值仿真分析。在说明月壤机械特性的基础上,结合地面车辆力学的知识,分析了松散月壤上刚性车轮的受力,考虑了主动驱动和被动驱动的情形,利用数学拟合的方法得到了满足工程要求的简化模型。在一定假设条件下,以牛顿欧拉法建立了三自由度整车动力学模型,建模时同时考虑了驱动和转向的相互影响。最后,数值仿真结果定性地验证了月面巡视探测器动力学模型的正确性。     

松软土壤环境下月球车动力学与控制的仿真工具

  开发一种月球车三维可视化动力学与控制的仿真工具。该工具融合多刚体系统动力学、车轮-土壤交互动力学以及运动控制系统模型,可以模拟松软土壤与复杂地形等环境,评估月球车在这些环境下的运动状况,并研究如爬越松软土壤的大角度坡面等关键工况下的运动控制方法及其优化。最后给出月球车在该仿真工具上运动控制的应用实例。     

可减小跟踪误差的月球探测车协调驱动模糊自适应控制

 针对六轮月球探测车的协调驱动控制问题,提出一种间接模糊自适应控制设计方案。基于Lyapunov方法,证明所设计的控制方案不但能使跟踪误差收敛到原点的小邻域内,而且通过适当增大设计参数的值,可减小跟踪误差,从而提高控制精度。通过对月球探测车的协调驱动控制的仿真研究验证了此方法的有效性。     

新型月球车的控制及实验研究

由于月球复杂的地形环境, 月球车作为复杂多体系统, 其动力学行为和驱动控制具有很多特性, 对其的分析也较简单系统复杂得多. 本文给出了对月球车控制的动力学、运动约束和运动学设计的数学模型, 并以跨越沟壑为例, 说明了协调控制过程. 同时设计和研制了基于气浮的独轮实验装置, 用于模拟月球的重力环境, 并研究协调了控制中各个车轮运动学和动力学参数的合理范围.      

基于相似理论的月球车月面牵引性能预测

引入相似理论对月球车的轮土交互系统进行研究,建立了月壤-车轮交互系统的地面力学相似模型,针对原位月壤内聚力较小的特点,提出了一种无需改变车轮尺寸、以模拟月壤为土壤介质的模型试验方法,对月面重力环境下月球车轮的牵引性能进行预测.利用室内土槽试验和颗粒流仿真相结合的方法对该模型试验方法的有效性进行验证,验证结果与模型试验的理论分析结果较为接近,表明该法具有较好的可行性和有效性,可考虑用于预测月球车的月面牵引性能.     

月壤力学参数反求及试验验证

为了预测月球车的牵引特性并进行牵引控制,提出了一种基于线性最小二乘法的月壤力学参数估计算法,对内聚力和内摩擦角这两个关键的月壤力学参数进行反求.针对反映车轮土壤交互作用过程中轮刺效应的力学模型进行简化,建立了内聚力和内摩擦角的求解模型.将车轮与模拟月壤交互作用试验中的测量数据输入利用该算法编制的Matlab程序中,反求出模拟月壤的内聚力和内摩擦角,反求值与模拟月壤的实测值较为接近.试验验证结果表明该算法准确有效,且具有较好的稳定性和较快的运算速度,可用于月球车进行月壤力学参数的就位估计.      

月球车车轮与模拟月壤相互作用试验

设计搭建了深空探测车车轮牵引特性试验台,制备了轮土试验用模拟月壤,在土槽中进行了模拟月壤的整备,重塑了就位月壤的力学特性.对不同轮齿类型的刚性车轮进行了牵引特性试验,分析了轮下模拟月壤的剪切破坏和车轮行驶阻力的表现形式.结果表明:增大轮上载荷能够提高挂钩牵引力,车轮的牵引效率随着滑转率的增加呈现先增加后降低的趋势;随着轮齿高度的增加,挂钩牵引力会随之增大,车轮的最大牵引效率有所降低;随着轮齿数目的增加,挂钩牵引力会随之增大,车轮的牵引效率变化不大;车轮转速在数值较低的范围内变化时,对牵引性能的影响较小.     

刚性车轮月面牵引通过性的模型试验

以重塑模拟月壤为介质,利用深空探测车车轮牵引特性实验台,研究了月面巡视探测器的刚性轮齿车轮与模拟月壤的交互作用,分析了车轮转速、轮上载荷等试验因素对车轮牵引通过性的影响.研究结果表明,当车轮转速较低时,挂钩牵引力随滑转率的增加而不断提高;当车轮转速较高时,存在着临界滑转率点.轮上载荷的增加有利于提高车轮的挂钩牵引力,但对挂钩牵引力系数的影响较小.     

一种基于天体观测的月球车位置姿态确定方法

针对月球车提出了一种基于天文观测的自主位置姿态确定方法.建立了利用天体敏感器测量得到的天体高度和方位作为观测信息的量测方程,并利用月球车运动的三阶常加速(CA,Constant Aceeleration)模型和姿态的欧拉角运动模型作为系统方程,给出了基于Unscented卡尔曼滤波获得月球车实时位置、速度和姿态信息的导航方法.计算机仿真表明该方法可达到较高的位置姿态确定精度.