搖桿-轉(zhuǎn)向架式月球車月面通過(guò)性能研究.pdf

1、由于月球與地球物理環(huán)境(溫度、溫差、重力、大氣密度等等)的巨大差異，由于月面與地面狀態(tài)的差異，我國(guó)二期工程將要研制發(fā)射的月球探測(cè)器-月球車，為了完成科學(xué)探測(cè)目標(biāo)，它在月球上首先是保證能生存，第二是保證能按指令行走。因此，月球車在月球不同區(qū)域巡游和完成探測(cè)任務(wù)時(shí)面臨的首要問(wèn)題之一是月球車在月面的通過(guò)性問(wèn)題。 曾經(jīng)登上月球的前蘇聯(lián)和美國(guó)的月球車都曾因月球車的通過(guò)性能不足導(dǎo)致車輪下陷無(wú)法前進(jìn)而影響探測(cè)計(jì)劃。月球車的通過(guò)性能主要包括月球

2、車的車輪月壤支撐通過(guò)性問(wèn)題、不平月面的幾何通過(guò)性問(wèn)題和越障能力。本文從月球車車輪-月壤力學(xué)著手研究車輪對(duì)月壤的支撐通過(guò)性，研究車輪在月壤表面的驅(qū)動(dòng)能力及車輪尺寸參數(shù)的選擇依據(jù)，接著研究月球車在月球不平地形的幾何通過(guò)性問(wèn)題和安全通過(guò)月球不平地形的車輪驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后研究月球車對(duì)巖石障礙的越障能力，具體內(nèi)容如下 1、搖桿-轉(zhuǎn)向架式月球車結(jié)構(gòu)。目前對(duì)月球車移動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究主要集中在底盤式懸掛移動(dòng)機(jī)構(gòu)、關(guān)節(jié)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、主動(dòng)變形式移動(dòng)機(jī)

3、構(gòu)和搖桿-轉(zhuǎn)向架移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中搖桿-轉(zhuǎn)向架移動(dòng)機(jī)構(gòu)綜合性能最好，其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、復(fù)雜地形適應(yīng)能力、車輪支撐力波動(dòng)范圍小和越障能力強(qiáng)。接觸角對(duì)于搖桿-轉(zhuǎn)向架式月球車來(lái)說(shuō)是個(gè)很重要的參數(shù)，其影響著搖桿-轉(zhuǎn)向架移動(dòng)機(jī)構(gòu)各車輪的受力分布。本文基于速度投影定理，給出了計(jì)算搖桿-轉(zhuǎn)向架式月球車各車輪接觸角的計(jì)算式，接觸角的計(jì)算是第四章中優(yōu)化車輪驅(qū)動(dòng)力的基礎(chǔ)。 2、車輪在松軟月面的驅(qū)動(dòng)能力與在平整地面的驅(qū)動(dòng)力有很大不同，車輪在松軟的月面將會(huì)產(chǎn)

4、生下陷和滑動(dòng)?；贐ekker輪-地力學(xué)理論的車輪驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式復(fù)雜，不適合直接計(jì)算，為實(shí)現(xiàn)車輪驅(qū)動(dòng)力預(yù)測(cè)，為車輪驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化提供計(jì)算基礎(chǔ)，本文采用基于最小二乘法的數(shù)據(jù)擬合方法對(duì)車輪驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行數(shù)值擬合計(jì)算，為實(shí)時(shí)的車輪驅(qū)動(dòng)力預(yù)測(cè)提供可行的方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪驅(qū)動(dòng)力的優(yōu)化。月球車的通過(guò)性能與車輪在月壤上的下陷深度、車輪驅(qū)動(dòng)力以及車輪的驅(qū)動(dòng)效率這三方面因素密切相關(guān)。綜合考慮三方面的因素，本文經(jīng)過(guò)數(shù)值擬合計(jì)算提出了車輪尺寸選擇依據(jù)并獲得合理的車

5、輪尺寸參數(shù)區(qū)域。 3、車輪驅(qū)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)了車輪驅(qū)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，盡可能模擬月海狀態(tài)，做了不同牽引力條件和不同輪面狀態(tài)下的通過(guò)性試驗(yàn)，取得了一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。車輪驅(qū)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的參數(shù)包括車輪在沙面前進(jìn)時(shí)的車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度、車輪前進(jìn)速度和下陷深度，這些參數(shù)通過(guò)數(shù)值擬合計(jì)算可以得出車輪驅(qū)動(dòng)力大小，通過(guò)分析并對(duì)比數(shù)值擬合計(jì)算結(jié)果，給出了最佳車輪的參數(shù)范圍。雖然通過(guò)增大車輪滑動(dòng)率可以產(chǎn)生更大的驅(qū)動(dòng)力，但大的滑動(dòng)率降低了驅(qū)動(dòng)效率，提高車輪

6、的驅(qū)動(dòng)效率對(duì)能源有限的月球車很重要的。為了增強(qiáng)車輪驅(qū)動(dòng)力，減小滑動(dòng)率，在車輪表面均勻地增加輪刺，車輪在前進(jìn)時(shí)會(huì)獲得由輪刺擠壓沙壤而產(chǎn)生的額外驅(qū)動(dòng)力，使車輪驅(qū)動(dòng)力得到增強(qiáng)。輪刺增大驅(qū)動(dòng)力、減小滑動(dòng)的同時(shí)也帶來(lái)了車輪在垂直沙面方向上周期性的位移波動(dòng)，這是對(duì)月球車前進(jìn)穩(wěn)定性不利的一個(gè)影響因素，車輪前進(jìn)速度也由于輪刺的作用產(chǎn)生了周期性的波動(dòng)。車輪在垂直地面上的周期波動(dòng)和前進(jìn)速度的波動(dòng)對(duì)于月球車來(lái)說(shuō)是一個(gè)周期性的激勵(lì)，其頻率應(yīng)與月球車系統(tǒng)的固有頻

7、率避開，防止月球車前進(jìn)時(shí)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。由帶有輪刺的車輪產(chǎn)生的波動(dòng)周期是車輪電機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪尺寸、輪刺密度和滑動(dòng)率的函數(shù)，本文通過(guò)分析給出了車輪波動(dòng)頻率計(jì)算公式，為避免產(chǎn)生月球車系統(tǒng)共振提供設(shè)計(jì)依據(jù)。 4、月球車的不平月面幾何通過(guò)性。搖桿-轉(zhuǎn)向架式月球車每個(gè)車輪都具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在不平月面時(shí)各輪接觸角各不相同，單獨(dú)考慮每個(gè)車輪的月面通過(guò)性是不全面的。如果車輪驅(qū)動(dòng)力輸出不協(xié)調(diào)控制，在松軟月面前進(jìn)時(shí)很容易因?yàn)槟骋粋€(gè)車輪受力過(guò)大而導(dǎo)

8、致下陷過(guò)深失去驅(qū)動(dòng)能力，使整個(gè)月球車無(wú)法前進(jìn)，所以車輪驅(qū)動(dòng)力的協(xié)同控制是月球車在不平月面幾何通過(guò)性的重要保證。本文基于序列二次規(guī)劃算法優(yōu)化搖桿-轉(zhuǎn)向架式月球車車輪系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力輸出，建立保證月球車在月壤平穩(wěn)安全通過(guò)的力學(xué)約束方程，以車輪驅(qū)動(dòng)功率和驅(qū)動(dòng)力變化最小為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化車輪驅(qū)動(dòng)力輸出，使月球車平穩(wěn)前進(jìn)的同時(shí)車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率消耗最小，這對(duì)能源有限的月球車來(lái)說(shuō)是很有意義的。通過(guò)建立搖桿-轉(zhuǎn)向架式月球車動(dòng)力學(xué)方程，模擬月球車通過(guò)不平月面時(shí)車輪

9、驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化輸出，通過(guò)MATLAB軟件編寫仿真程序并輸出優(yōu)化仿真結(jié)果。 5、越障能力。搖桿-轉(zhuǎn)向架式月球車必須具有很強(qiáng)的地形適應(yīng)能力和越障能力。首先研究了搖桿-轉(zhuǎn)向架移動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸對(duì)月球車越障能力的影響，綜合通過(guò)性能、占有空間，得到了搖桿-轉(zhuǎn)向架移動(dòng)機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)參數(shù)，并通過(guò)ADAMS進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。月球車車體內(nèi)部科學(xué)儀器不同的布置方式會(huì)產(chǎn)生不同的重心位置，月球車車體重心布置直接影響著搖桿-轉(zhuǎn)向架月球車的越障能力，不合適的重心位置會(huì)