月球探测车移动系统的关键技术分析

为研究月球探测车移动系统，基于月球的复杂环境特征，确定月球探测车移动系统应具备的主要功能．在对以往的腿式、轮式和履带式等各类型移动系统结构特点综合分析的基础上，确定六轮摇臂-转向架式移动系统的设计方案，该系统具有性能优越、自适应能力强等特点．通过深入研究该系统的具体结构，得到其主要的技术性能参数．并对其轮系结构、转向机构、能源系统的特点及所涉及的关键技术进行深入探讨．     

轮式探测车被动自适应性与自由度关系分析

为设计具有自适应性能的探测车,保证轮式探测车移动机构在行驶过程中车轮与地面接触良好,研究自适应性能与单侧悬架系统及其漫游车整体所需自由度之间的关系．给出自适应性的3种分类方法,分析自适应性能对漫游车的爬坡性能、车体稳定性能及能耗特性的影响;建立具有自适应性能的探测车单轮系统数学模型并得到此系统的自由度;分别建立包含两轮、三轮及k个车轮的自适应悬架系统数学模型,分析并得到上述系统所需的自由度;分别建立在悬架对称布置和四周布置两种情况下的探测车自由度模型,并对一些具有代表性的被动自适应特性探测车自由度进行了统计和分析．研究结果表明:良好的自适应性是实现移动机构综合性能的前提条件,具有自适应性的单侧悬架系统与探测车整体所需自由度分别为1和3．该方法可为探测车悬架及车体系统构型综合时自由度的确定提供指导．     

八轮扭杆摇杆摇臂月球车运动控制研究

详细分析了八轮扭杆摇杆摇臂月球探测车轮子的运动情况和受力分析,提出了5种轮子操作模式,指出月球车在自由操作模式下的运动是比较理想的,机构间的能量损耗是最小的。讨论了对于在复杂环境中轮式探测车的电机驱动模式的选择对探测车运动稳定性的影响。用轮子操作模式的观点分析了3种简单电机驱动模式下月球车在平坦和崎岖地形中的不同运动情况。根据八轮扭杆摇杆摇臂月球探测车的机构特点,结合轮子操作模式,利用月球车机构特征和速度匹配原理,提出一种具有良好地形适应能力运动控制算法,把它融合到了整个运动控制系统当中,提高了月球车在崎岖地形中的运动性能。通过野外环境中的实验证明了运动控制模型的合理性和构建系统的可靠性。     

基于协调运动控制的摇臂式探测车路径多属性决策

为保证探测车行驶路径节能、快速、安全,在协调运动控制的基础上,对多条待选路径进行多属性决策。根据六轮摇臂式探测车的准静力学模型和基于速度投影定理的运动学模型计算协调运动控制的目标转矩和目标转速。根据摇臂式移动系统的被动变形适应性计算探测车处于任意地形时摇臂的摆角,建立了地形参数与协调运动控制参数之间的关系。在此基础上,计算各条待选路径对通过路径所需能量、通过路径所需时间、路径地形起伏状况和路径长度等属性的属性值。利用TOPSIS法进行多属性决策,从中选择最优路径。数值仿真结果表明,多属性决策系统所选择的最优路径,兼顾节能、快速、安全等因素,避免了单属性决策的片面性。     

智能探测车避障转向控制

针对智能探测车的转向系统是一个具有大延迟、非线性的复杂系统,对其建立精确的数学模型较为困难,且其航向易受到诸多因素干扰的问题,研究了预测控制中的动态矩阵法,提出一种新的智能探测车转向机构模型.该方法用障碍物的方向角和距离偏差作为参数,在预测控制算法中采用动态矩阵控制,输出前轮转向角,再将转向角预测量与实际转向角之和作为反馈,对转向角变化趋势做出预测.通过仿真验证了在不同纵向速度下,加入相同干扰时的系统响应.结果表明,该算法在智能探测车障碍物避让控制中,对外界环境的干扰具有较强的鲁棒性,能够满足智能探测车转向控制要求.     

月球着陆器新结构的ADAMS仿真研究

为了解决月球着陆器等航天飞行器类产品研制和试验费用十分昂贵的问题,提出并试验了月球着陆器机械结构仿真研究方法.采用ADAMS动力学仿真软件,对月球着陆器3种典型结构进行了动力学建模、优化及在月球重力场下着陆缓冲等仿真研究.以冲击隔离系数的大小为具体评价指标,对月球着陆器3种典型结构缓冲性能进行了评价.结果表明斜腿式两级缓冲月球着陆器新结构缓冲效果最好.     

六圆柱-圆锥轮式月球车多轮协调运动控制研究

月球车的运动控制是月球车完成探测任务的前提.为实现月球车前进、后退和转向等基本运动功能,对六圆柱-圆锥轮式月球车的多轮协调运动控制进行了研究.根据六圆柱-圆锥轮式月球车的机构原理和结构特点,给出了月球车车轮的运动学约束条件,建立了月球车的运动学约束模型,针对月球车的基本运动要求,推导了月球车六轮协调运动的控制模型,并基于实时Linux和PC104总线计算机的车载计算机运动控制系统,对月球车的运动控制进行了实验研究.研究结果证实了六轮协调运动控制模型的正确性,为月球探测车的运动控制系统设计及月球车的自主避障功能等奠定了理论基础.     

月球探测车车轮数目的选取

为合理确定月球探测车车轮数目,借助地面力学的相关知识,考虑到车轮行驶时的沙土回弹沉陷量,建立了车轮前进与转弯时的轮地接触模型,进而推导了单个车轮的前进总阻力矩、转弯总阻力矩以及驱动力矩计算表达式。在一定范围轮宽与轮径条件下,得到了单轮驱动力矩、前进阻力矩和转向阻力矩与沉陷量之间的关系曲线。通过分析找到使车轮驱动效率较大的沉陷量区间。以此为基础,给出了合理选择车轮数目的操作流程图,并比较了不同轮数探测车的优缺点,可为全面合理确定车轮数提供参考。     

低重力补偿下六轮独立驱动月球车的运动分析

为了在地球上模拟月球表面的低重力环境,需要对月球车进行重力补偿.提出了吊丝式双天车结构的重力补偿方案,确定了月球车在崎岖路面上行进的质心域,分析了低重力下吊丝倾角和质心变化对车轮垂直载荷的影响,绘制了车轮垂直载荷的仿真曲线,完成了低重力补偿下月球车的运动分析.研究结果表明,吊丝倾角越小,月球车的质心变化域越小,则因低重力补偿引起的月球车运动波动越小.该研究为月球车低重力实验环境的建立、月球车移动子系统的功能测试和可靠性实验奠定了理论基础.     

月球恒温层地下空间利用探索构想

开展月球资源探测与地下空间利用是人类探索月球、将月球纳入人类活动范围的重要举措。本文从月球地质结构特性及月球表面温度变化特征入手,综合考虑月球纬度、月壤/月岩导热性能等要素,针对月球恒温层的恒温特性及随纬度变化的温度涵盖范围,提出了在月球恒温层开发月球地下人类基地、月球地下轨道交通、月球生命体存储、月球原位热能存储等月球地下空间利用构想。针对所提出的月球恒温层利用构想,设计了月球地下人类基地空间支护与搭建、基于电磁技术的月球地下飞行式轨道交通、可温度调节式月球战略储备库、基于月岩/月壤导热差异的原位热能存储等技术实施方案。基于上述构想及技术方案,本文系统总结了月球恒温层地下空间利用需突破的技术挑战和面临的关键科学问题。本文的研究将为未来建立月球人类基地及月球地下空间利用提供技术参考。     

基于ADAMS的六轮月球车动力学建模与仿真

针对月球的复杂地形环境,利用ADAMS软件建立六轮摇臂-转向架式月球车的三维仿真模型,对其进行动力学仿真分析,获得了月球车各部件和整车的动力学特性曲线,为月球车控制系统的设计与数值计算提供了理论依据.     

为月球车低能耗越障的摇臂悬架参数多目标优化

为满足月球车能耗低、重量轻的使用要求,基于月球车的越障工况,以各驱动电机能量消耗为目标函数,对月球车的摇臂悬架参数进行了优化,并建立了摇臂悬架参数模型。分析了月球车越障通过性条件,建立了悬架参数多目标优化的数学模型。采用极大极小值法,将多目标函数统一成单目标函数,利用序列二次规划法(SQP)进行优化分析,得到了悬架参数的优化值。结果表明,越障时电机能量消耗明显降低。     

六圆柱轮式月球车动力学建模与仿真

为了实现月球车的运动控制与自主避障, 对六圆柱轮式月球车的动力学进行了建模与仿真研究.根据该六轮月球车的机构原理和结构特点, 分析了车轮的受力情况, 并根据车辆动力学理论给出了简化计算公式.利用凯恩方法建立了月球车的动力学方程, 并提出了基于动力学模型的车轮计算力矩控制方案, 利用MATLAB/Simulink完成了动力学模型和控制方案的仿真分析.研究结果表明,基于动力学模型的车轮计算力矩控制方案是可行的, 可以使月球车跟踪期望轨迹, 并按轨迹跟踪的精度要求来选择控制器的参数, 使得轨迹控制既满足位置精度, 同时也满足速度精度.     

两轮并列式月球车的性能及其稳定性分析

随着国内外新一轮探月高潮的掀起,新型的月球车越来越受到人们的关注.文章提出了一种两轮并列式月球车结构以适应月球探测的特点和要求,并对两轮车的驱动原理和性能进行分析,为月球车的应用提供理论基础和参考依据.两轮车行走中箱体平台的稳定性是其在视觉导航及多车对接应用中的关键环节,针对箱体平台的稳定性对两轮车系统进行建模仿真并提出了两轮车系统的模拟控制方案.仿真结果表明采用状态反馈控制可以有效的实现两轮车系统的稳定性控制.两轮并列式月球车的特点和稳定性分析为新型探月车的研究提供新思路.     

基于 PID 控制的月面巡视探测器坡度行驶仿真分析

通过月面巡视探测器爬坡轮与地面的相互作用分析,建立月面巡视探测器坡度行驶地面力学模型。根据双闭环直流调速系统工作原理,采用位置式PID控制算法编写了电机驱动仿真模块,并将电机驱动仿真模块融合到月面巡视探测器多体动力学仿真体系中,构建了完整的月面巡视探测器动力学仿真系统。对月面巡视探测器坡度行驶工况进行仿真分析,初步实现了对月面巡视探测器动力学模型的验证,为月面巡视探测器驱动控制算法、运动规划和路径规划仿真提供技术支持。     

基于刚柔耦合模型的月球车振动特性仿真

为了分析月球车在月表环境下的振动特性,将其作为一个刚柔耦合多体系统,基于三维实体造型和多体动力学分析软件建立了刚柔耦合动力学模型。根据美国国家航空航天局的研究,建立了月球表面位移功率谱数学模型,结合谐波叠加法获得了月表不平度。以六轮月球车样机JLUIV-6为研究对象,通过典型越障工况试验验证了所建模型的可靠性。以月面不平度作为振动激励对所建立的动力学模型进行了仿真,分析了月球车车体的振动响应及振动加速度幅频特性。结果表明,月球车在0.8～1.8Hz处存在明显的共振区域,为月球车系统设计及优化提供了依据。     

行星轮式月球车动力学分析

为减小行星轮式月球车车身在垂直方向的振动加速度,需要确定月球车悬挂系统的扭杆弹簧刚度和减振器阻尼的合理数值范围．因此建立了七自由度月球车的振动系统模型,并给出了月球车振动系统的振动微分方程和频率响应函数的计算方法,在确定月球车的路面输入谱密度的基础上推导了车身在垂直方向位移输出的二阶导数均方根值的计算公式,用Matlab软件编写的计算程序计算了车身在垂直方向位移输出的二阶导数的均方根值,从而确定了悬挂系统的扭杆弹簧刚度和减振器阻尼的合理数值范围．     

六圆柱-圆锥轮式月球车的设计

针对月球表面的非结构化环境,设计了一种新型六圆柱-圆锥轮式月球车.整车由三节串联而成,每节具有一对独立驱动的圆柱-圆锥轮,由两个三自由度的悬架结构连接,三节之间能够被动实现俯仰和扭转相对运动;悬架关节中设计有离合器或制动器,能够根据需要锁住关节或在电机驱动下实现主动俯仰或前摆运动,从而能够使月球车根据路况以轮式或轮步方式移动.为了降低刚性车轮产生的振动,在车轮和支承轴之间设计了由金属橡胶构成的减振器.对月球车的结构参数优化和移动性能的分析,结果表明,该车具有很强的地形适应能力和越障能力.     

基于虚拟样机的月球探测机器人运动学建模

为增强月球探测机器人在三维崎岖环境下运动的动态调整能力,采用虚拟样机技术从车轮雅可比矩阵导出了月球车6个车轮的运动学方程。可用最小二乘法从6个车轮的单独雅可比矩阵导出月球车车体的位置和方向,用加速度计测量车体的俯仰角速度和滚动角速度,从而得到月球车的运动速度。仿真结果表明：用该运动学建模方法开发的HIT-1型月球车在崎岖地形中移动时具有动态调整其运动构型的能力,可增强车体的安全性和稳定性;该方法可作为一种通用的三维轮式移动机器人的运动学建模方法。