月球著陸器軟著陸動(dòng)力學(xué)與半主動(dòng)控制研究.pdf

1、未來(lái)月球探測(cè)需要到月面任何地方觀察需要知道的任何信息，這要求月球著陸器在復(fù)雜多變的月球環(huán)境和突發(fā)條件下能安全、可靠的著陸及返回。作為著陸器的重要部分，著陸緩沖系統(tǒng)目前仍是被動(dòng)控制技術(shù)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)固定，一旦制成裝機(jī)后，無(wú)法改變自身特性以適時(shí)響應(yīng)外界激勵(lì)的變化，難以完全滿足未來(lái)著陸器的要求。在繼續(xù)改進(jìn)被動(dòng)控制技術(shù)的同時(shí)，采用半主動(dòng)控制技術(shù)也成為研究方向之一。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 選取四腿鉸接懸臂式著陸器為研究對(duì)象，建

2、立單套著陸腿軟著陸動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)考慮鋁蜂窩緩沖材料和一般的緩沖材料。建立單套著陸腿軟著陸動(dòng)力學(xué)仿真模型，并以相應(yīng)的落震試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，證明了所建模型精確、有效。分析研究了著陸器初始速度、月面摩擦、月面斜角、主支柱軸承摩擦以及反推火箭等對(duì)著陸器軟著陸的影響。研究表明，應(yīng)盡量降低初始速度；當(dāng)摩擦系數(shù)確定時(shí)，著陸腿的張開(kāi)角不宜設(shè)計(jì)過(guò)小；下坡著陸比上坡著陸的影響大；軸承摩擦對(duì)主、輔助緩沖器有一定的保護(hù)作用；反推火箭開(kāi)機(jī)著陸對(duì)降低機(jī)體過(guò)載有明顯的

3、作用，推重比的選擇以0.6為宜。
　　 選取著陸器2-2著陸模式，建立9自由度軟著陸動(dòng)力學(xué)模型及其仿真模型，并通過(guò)相應(yīng)的落震試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，證明所建模型精確、有效。分析研究了著陸器初始速度、月面斜角、著陸初始姿態(tài)角、反推火箭推力對(duì)軟著陸性能的影響，并提出安全角面的概念以分析機(jī)體初始姿態(tài)角與月面斜角對(duì)著陸器的耦合影響。研究表明，水平速度會(huì)降低機(jī)體的最大過(guò)載，降低著陸穩(wěn)定性；下坡著陸時(shí)，月面斜角降低著陸穩(wěn)定性；初始姿態(tài)角在0到0.16

4、rad范圍內(nèi)減小機(jī)體最大過(guò)載；開(kāi)機(jī)著陸穩(wěn)定性較高，上坡開(kāi)機(jī)著陸穩(wěn)定性最好；月面斜角與著陸器初始姿態(tài)角的夾角越大，機(jī)體的最大過(guò)載越大，著陸穩(wěn)定性越差；對(duì)最大過(guò)載要求嚴(yán)格，會(huì)導(dǎo)致著陸器安全角面變?。辉旅嫠?，機(jī)體姿態(tài)角水平時(shí)機(jī)體最大過(guò)載較大。
　　 提出一種適合于著陸器的旁通式磁流變阻尼器構(gòu)型，并建立其動(dòng)力學(xué)模型，模型考慮了紊流狀態(tài)的影響和阻尼通道的局部阻力。進(jìn)行旁通式阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)的初步設(shè)計(jì)，建立了阻尼器的跌落實(shí)驗(yàn)仿真模型，分析了

5、流體行為指數(shù)、修正模型的影響，并設(shè)計(jì)一種以緩沖行程限值來(lái)開(kāi)啟不同電流的二級(jí)緩沖的模型。研究表明，磁流變阻尼器在緩沖行程、最大過(guò)載與緩沖效率方面均能滿足著陸器的著陸要求，最大行程、最大過(guò)載隨電流強(qiáng)度變化，這說(shuō)明了阻尼力可控和可行；剪切稀化會(huì)降低阻尼器的出力和緩沖效率；修正模型的磁流變阻尼器緩沖性能差、緩沖效率低、最大過(guò)載大；二級(jí)緩沖的磁流變阻尼器，通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，能夠同時(shí)擁有低電流強(qiáng)度與高電流強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。
　　 提出月球著陸器軟著

6、陸緩沖控制方法，建立了四分之一機(jī)體軟著陸數(shù)學(xué)模型。首先設(shè)計(jì)電壓狀態(tài)反饋?zhàn)顑?yōu)控制和力最優(yōu)控制，之后設(shè)計(jì)狀態(tài)跳躍、多態(tài)控制以及模糊邏輯控制等，及其控制器。仿真分析著陸器軟著陸緩沖控制，分析其控制效果以及對(duì)初始條件的敏感性。研究表明，電壓最優(yōu)控制雖然緩沖性能最好，很好的減緩著陸后期機(jī)體的振動(dòng)，但在線計(jì)算量大；力最優(yōu)控制降低機(jī)體的最大過(guò)載最明顯，但是完全擬合出這種最優(yōu)控制力比較困難；狀態(tài)跳躍控制的結(jié)構(gòu)響應(yīng)限值選取很重要；多態(tài)控制策略的調(diào)節(jié)參數(shù)的

7、大小以0.5到0.8范圍內(nèi)較好；模糊控制的效果非常好，應(yīng)盡量降低運(yùn)算時(shí)間，可以采用離線計(jì)算。
　　 提出著陸器軟著陸穩(wěn)定控制方法，建立了固接1－1著陸數(shù)學(xué)模型，將軟著陸過(guò)程為兩階段，并進(jìn)行穩(wěn)定性分析。設(shè)計(jì)了狀態(tài)跳躍控制、多態(tài)控制以及模糊控制策略，及其控制器。仿真分析軟著陸穩(wěn)定控制，分析其控制效果，以及對(duì)初始條件敏感性。研究表明，狀態(tài)跳躍、多態(tài)控制和模糊控制能很好的降低著陸器的著陸過(guò)載，減小著陸最大姿態(tài)角變化，提高著陸穩(wěn)定性，對(duì)初