月-星球車輪地作用地面力學(xué)模型及其應(yīng)用研究.pdf

1、NASA的Sojourner、Spirit和Opportunity火星探測車取得了巨大的成就，拓展了人類對于火星的認(rèn)識水平，同時(shí)在世界上掀起了利用輪式移動機(jī)器人(漫游車)進(jìn)行星球探測的熱潮。未來的星球探測任務(wù)(如MSL、ExoMars、“嫦娥”和SELENE)要求星球車能夠自主運(yùn)行于更加富有挑戰(zhàn)性的松軟崎嶇地形環(huán)境當(dāng)中。
　　輪地相互作用地面力學(xué)可以廣泛應(yīng)用于星球車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能評價(jià)、星壤參數(shù)辨識、動力學(xué)仿真、移動與導(dǎo)航控制等許多

2、方面，是星球車性能提高的一個(gè)瓶頸問題，因而成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。在星球車研究過程中，目前主要直接應(yīng)用傳統(tǒng)車輛的地面力學(xué)成果。由于星球車與普通地面車輛在運(yùn)行環(huán)境、控制方式、運(yùn)行狀態(tài)、載荷、車輛構(gòu)型/尺寸和車輪構(gòu)型/尺寸等方面都存在很大差異，而傳統(tǒng)模型主要面向車輛設(shè)計(jì)且精度不高，因此針對星球探測車進(jìn)行地面力學(xué)的實(shí)驗(yàn)、理論和應(yīng)用方法研究是極其必要的。
　　試驗(yàn)是地面力學(xué)研究的重要手段。在分析輪地相互作用力學(xué)影響因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，

3、進(jìn)而采用模擬月壤，利用高性能的車輪—土壤相互作用測試平臺和El-dorado II四輪車測試系統(tǒng)進(jìn)行系列試驗(yàn)，研究車輪尺寸(半徑、寬度)，輪刺尺寸(高度、個(gè)數(shù)、傾斜角度)，地形信息(爬坡角度和側(cè)偏角度)，法向載荷，運(yùn)行狀態(tài)信息(滑轉(zhuǎn)率，轉(zhuǎn)向角、運(yùn)行速度，重復(fù)通過次數(shù))等因素對于輪地相互作用力學(xué)的影響，為后續(xù)理論分析、模型推導(dǎo)等提供基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。
　　在深入分析車輪輪刺效應(yīng)、滑轉(zhuǎn)沉陷機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立高保真度的車輪—土壤相互作用滑轉(zhuǎn)

4、前進(jìn)模型，并對載荷效應(yīng)提出修正方法，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的有效性，并與傳統(tǒng)模型進(jìn)行了對比。基于上述成果，進(jìn)一步推導(dǎo)了車輪滑移前進(jìn)模型、側(cè)偏模型、轉(zhuǎn)向模型和前進(jìn)與轉(zhuǎn)向耦合模型，將崎嶇地形中的車輪運(yùn)動分解為爬坡和沿斜坡行走兩種基本運(yùn)動并進(jìn)行了受力分析。
　　對星球車輪地相互作用前進(jìn)模型進(jìn)行簡化，構(gòu)建了兩種封閉解析解耦模型，提出了三種模型參數(shù)辨識方法，可以對反映星壤承壓特性、剪切特性和輪地作用接觸角的8個(gè)參數(shù)進(jìn)行辨識，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，

5、實(shí)現(xiàn)了對星壤特性的全面表征?；诜e分模型的辨識方法具有較高的保真度，基于封閉解析解耦模型的辨識方法適用于參數(shù)的實(shí)時(shí)辨識。進(jìn)一步推導(dǎo)了反映載荷效應(yīng)的簡化模型，利用El-Dorado II探測車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了Toyoura沙土的參數(shù)辨識。
　　對車輪驅(qū)動性能評價(jià)的絕對及相對性能指標(biāo)進(jìn)行總結(jié)，包括沉陷指標(biāo)、牽引能力指標(biāo)和驅(qū)動電機(jī)性能指標(biāo)，并推導(dǎo)公式揭示性能指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從宏觀和微觀角度分析車輪寬度、半徑，輪刺高度、

6、個(gè)數(shù)和傾斜角度等設(shè)計(jì)參數(shù)對于其性能的影響，進(jìn)而提出了車輪尺寸與輪刺的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和方法。結(jié)合中國“嫦娥”探月工程中的月球車設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了車輪設(shè)計(jì)和性能分析。
　　以車體空間位姿和各關(guān)節(jié)角度作為廣義坐標(biāo)，采用遞歸方法建立運(yùn)動學(xué)模型，推導(dǎo)了計(jì)算輪地接觸點(diǎn)速度和構(gòu)件質(zhì)心速度的雅可比矩陣。利用Lagrange動力學(xué)方程、Newton-Euler方程等建立了融合輪地相互作用力學(xué)的通用星球車動力學(xué)模型。解決了車輪土壤相互作用接觸區(qū)域和接觸坐標(biāo)系

7、的求解這一關(guān)鍵難題?；贛atlab和SpaceDyn進(jìn)行仿真程序?qū)崿F(xiàn)，并利用整車測試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。
　　對松軟崎嶇地形中星球車的路徑跟蹤策略進(jìn)行研究，建立了非完整運(yùn)動學(xué)模型，設(shè)計(jì)了基于滑移補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)向控制策略進(jìn)行路徑跟蹤。提出了基于輪刺痕跡和地面力學(xué)的兩種車輪滑轉(zhuǎn)率在線估計(jì)方法。分析了車輪滑轉(zhuǎn)率與能量消耗的關(guān)系，證實(shí)了“等滑轉(zhuǎn)率”是能量最優(yōu)控制可以采用的次優(yōu)解，利用車體速度前饋和反饋控制策略補(bǔ)償滑轉(zhuǎn)帶來的速度損失。將上述算法融合，