Attitude determination of planetary exploration rovers using solar panels characteristics and accelerometer

In this study, we propose a new attitude determination system, which we call Irradiance-based Attitude Determination (IRAD). IRAD employs the characteristics and geometry of solar panels. First, the sun vector is estimated using data from solar panels including current, voltage, temperature, and the normal vectors of each solar panel. Because these values are obtained using internal sensors, it is easy for rovers to provide redundancy for IRAD. The normal vectors are used to apply to various shapes of rovers. Second, using the gravity vector obtained from an accelerometer, the attitude of a rover is estimated using a three-axis attitude determination method. The effectiveness of IRAD is verified through numerical simulations and experiments that show IRAD can estimate all the attitude angles (roll, pitch, and yaw) within a few degrees of accuracy, which is adequate for planetary explorations.     

基于嵌入式MATLAB函数编程的火星车能量平衡仿真系统

在以往航天器研制过程中,电源系统能量平衡分析是基于表格化计算的方法,其运算效率低、显示不直观。文章提出了一种可视性强、易编程、更通用的能量平衡分析方法,即采用嵌入式MATLAB函数对电源系统能量平衡分析的功能模块进行编程实现,以火星车电源系统为应用背景,在MATLAB/SIMULINK平台上搭建了一套用于能量平衡分析的仿真系统,并在特定实例下进行仿真分析,仿真结果采用图表曲线形式显示,能清晰、直观地反映能源利用的动态变化趋势,可为电源系统方案优化设计提供参考依据。     

欧洲“火星快车”探测器自行底盘概念设计的启示

通过对月球车和火星车的跟踪调研,重点介绍了俄罗斯所承担的欧洲空间局“火星快车”项目中火星车自行底盘概念的设计思想和具体实施情况。结合火星表面的复杂环境,研制方探讨了几种底盘结构设计方案,通过对比分析确立了6×6×4+4ш方案为优化方案;根据该优化方案研制的比例模型样机通过行走试验验证,结果表明自行底盘概念设计思想正确,有助于提高行星车在复杂地形中的运动能力、稳定性和可靠性。最后针对我国深空探测项目实施的需求,提出了拟开展工作建议。     

一种三元结构的火星采样返回任务方案分析

介绍了目前国外提出的一种三元结构的火星采样返回任务方案,整个方案分3次发射,分别发射漫游车、着陆器和轨道器,每次发射间隔为4年,最终目的是将火星样品带回地球。该方案的优势在于,通过3次发射分别完成漫游车巡视勘察、着陆器现场探测、轨道器数据中继和在轨探测,最终综合完成火星采样返回,能够极大地缓解项目进度和资金压力,充分利用每次发射窗口分步骤完成探测任务。文章重点对方案涉及的关键技术进行了分析,包括样品获取与封装、行星保护、精准着陆、漫游车的危险规避能力和移动性、火星上升器、交会与样品捕获、地球再入器技术等;对方案的前景和优势进行了探讨,并给出几点启示,如精准着陆或成为今后行星探测着陆方式的新趋势,火星采样返回任务将是人类火星探测的里程碑,今后的深空探测任务趋向国际合作模式等。     

火星着陆器地形测图技术研究

分析了勇气号、机遇号、好奇心号火星漫游车和凤凰号火星着陆器的测图遥感器性能、数据处理技术和火星地形测图产品;提出了火星地形测图未来发展的一些趋势,如遥感器向高分辨率、立体彩色遥感器的方向发展,数字立体摄影测量技术和光倾斜测量技术及激光测高技术将更加紧密融合并相互补充,正在由单一的测图产品向多种数字产品发展,测图产品的精度也在大幅度提高。     

基于粒子群优化算法的月面巡视器全局路径规划

在月面巡视器遥操作系统中,路径规划分为任务级路径规划、全局路径规划和局部路径规划。根据巡视器全局路径规划的应用要求,引入粒子群优化算法应用于全局导航点的规划。针对粒子群算法在路径规划中容易造成不收敛或病态收敛的问题,对算法进行了修改,去掉了速度更新中的速度惯性因子,只保留自身认识因子和社会认识因子,使其在全局路径规划中能够快速收敛;同时引入经典遗传算法中的变异因子以增强算法的全局优化能力。仿真结果表明该算法具有计算简单、全局寻优能力强等特点,能够快速地找到优化的全局导航点。同时在不同的模拟月面地形上进行仿真试验,针对存在的问题提出了对应的二次优化方法,结果表明该方法较好地满足了巡视器全局路径规划的应用需求。     

六轮摇臂式月球探测车协调驱动自适应模糊容错控制

为提高复杂和未知环境中六轮摇臂式月球探测车的驱动控制系统的可靠性,防止因执行器故障引起的月球车失控,提出一种基于滑转率的协调驱动自适应模糊容错控制方法。该方法用模糊逻辑系统逼近系统的未知动态和未知的故障函数,并通过所设计的误差补偿器来减少逼近误差对跟踪精度的影响。基于Lyapunov理论,证明了所设计的容错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,可使跟踪误差减小。此外,为便于应用给出了详细的容错控制器设计步骤,并对控制器中参数的选取给出了示例。仿真结果表明该控制律具有较高的控制精度,并且对外部干扰有很强的鲁棒性。

     

行星探测车连杆式差动平衡机构设计及运动学分析

根据行星探测车移动系统连接车体与左右两侧悬架的支撑机构的设计要求,提出一种对称的空间连杆式差动平衡机构,合理的空间布置、较大的摇臂摆角范围和良好的线平均性使其在移动系统中的运用取得较好效果。首先分析了机构的输入输出关系,给出车体与摇臂位姿关系的表达式。然后运用旋转变换的方法建立该差动平衡机构车体与左右摇臂的俯仰角位移方程。再运用Pro/Mechanism仿真校验理论模型的正确性,并运用校验后的理论模型分析部分参数对该差动平衡机构摇臂摆角范围和线性均化特性的影响,求解球铰连杆上下球面副相对主平面和在主平面内的转角范围,为机构的结构设计和装配提供了依据。最后展示了该机构在6轮导杆联动式悬架上的应用。     

月球巡视器太阳电池阵电性能仿真模型

建立精准的太阳电池阵电性能仿真模型,可为月球巡视器电源设计方案以及在轨任务规划的验证和优化提供保障。文章依据巡视器设计及月面环境的特殊性,建立了考虑遮挡、月尘等因素的太阳电池阵电性能仿真模型。该模型包括布阵文件编写及导入模块,光强、温度、老化影响计算模块,月尘影响计算模块,以及部分遮挡影响计算模块。对仿真模型进行了仿真分析,并将仿真结果与硬件实测值进行比较,结果表明:两者之间的误差可控制在5%以内,证明了模型的正确性和精准度。     

基于可通过性的月面巡视探测器路径规划算法

应用于行星探测车的路径规划算法需要根据地形环境信息和车体的越障能力两方面进行考虑。结合月面巡视探测器移动子系统的通过特性以及地形信息将地图栅格进一步细分,使用了四个安全性指标描述车体静止或运动时的通过性,并将其引入到A~*与D~*两种规划算法的代价当中,给出了算法的流程,并通过仿真进行了验证。