摇臂式探测车在崎岖地形中行进的运动规划及仿真

针对月球表面的崎岖地形环境,利用多体动力学的矢量分析法,建立摇臂式探测车在崎岖地形中行进过程的运动学模型.根据滑移损失产生原因,对驱动轮转速进行规划,推导出各轮协调运动的目标转速.利用仿真软件ADAMS及其运动函数对运动控制过程进行仿真,通过对比分析验证按照目标转速对驱动轮进行运动控制的有效性.     

MOBILITY EVALUATION AND INNOVATION OF WHEELED SPACE ROVER

The mission and function requirements of lunar rover are analyzed, based on virtual prototype technology, the mobility evaluation theory and method for wheeled space rover are proposed, which provide a new way to study the innovative design of lunar rover. Based on the above theoretical system, an innovative lunar rover suspension system, which adopts a two-crank-slider mechanism, is proposed, and its dynamics model is created. Adopting virtual prototype technology, the ground adaptability, over-obstacle ability and driving placidity of the rover are evaluated in the virtual prototype software ADAMS. The analysis results show that the rover provides a high degree of mobility.     

月球车虚拟仿真系统中自主导航的实现

虚拟仿真技术的发展为月球车的研制试验提供了越来越有效的支持。自主导航技术是月球车系统的一项关键技术,但月球车虚拟仿真系统中却很少涉及。为此,研究了在月球车虚拟仿真系统中融合自主导航功能模块。其中包括提出了一种用XML语言表达数字化月面属性的方法、虚拟环境中实现立体视觉的导航方案,并提出了自主导航技术在月球车仿真系统中的实现方法。最后应用于某型月球车的仿真试验,仿真结果表明系统可以为月球车自主导航技术的研究提供有效的支持工具。     

面向熔岩管探测的星球子车及其参数化设计方法研究

星球熔岩管是进入星球地下的捷径,具有较高的科学探测及资源勘探价值。提出了一种新型系绳星球熔岩管探测子车,并开展其参数化设计研究。面向熔岩管管口大坡度斜坡绳索释放回收问题以及熔岩管内探测车转向问题对系绳轮式移动机构进行了构型设计。基于地面力学理论,考虑三轮移动系统在熔岩管口周围及管底堆积区松软地形内移动能力,以及探测车在崎岖硬质熔岩管内壁中的几何通过性、平稳性和抗颠覆性等因素对系绳三轮移动系统进行了参数优化设计。在模拟外星球地表环境中的仿真和试验结果表明,使用提出的优化设计方法设计出来的星球车完全满足预定的技术要求,相比于参数优化之前具备更强的移动性能,并可为四轮、六轮等多轮星球车参数化设计提供有益借鉴。     

松软月壤上月球车驱动能力的仿真研究

在松软土壤上影响月球车的驱动效率的因素对月球车的行走系统功耗有较大的影响。基于地面力学理论,建立了松软土壤与车轮间相互作用的单轮和整车多体动力学模型。并从理论角度分析了影响月球车单轮驱动效率的的因素,并对整车在松软土壤路况下的驱动能力进行了仿真分析。     

虚拟现实环境下月球车运动仿真系统设计研究

虚拟现实技术的出现为月球漫游车的设计、优化等提供了新的有效手段.研究了在虚拟现实环境下基于物理的月球车运动仿真系统,设计并构建了系统的功能模块和体系结构.研究了相关几何模型的真实感建模、月球车运动仿真、实时碰撞检测、多通道立体渲染等支撑技术,据此设计开发了一种月球车运动仿真的原型系统,该原型系统可实现月球车在真实感凹凸月面上的运动仿真,支持鼠标、键盘与虚拟月球车进行交互,具有良好的真实感和沉浸感.     

新型八轮月球车悬架的研制

提高整车质量在各轮上分配的均匀性,可提高驱动电动机驱动功率的一致性;提高悬架被动适应松软复杂地形能力,可提高其稳定性和越障能力。因此,对八轮月球车被动适应地形的悬架进行拓扑结构综合,确定两种可用的八轮悬架构型,并对这两种悬架构型进行双侧车轮同时跨越垂直障碍、适应曲面地形和车体运动平稳性仿真分析。根据分析结果,确定适合的八轮月球车悬架构型,针对这种八轮月球车移动系统的组成和工作原理进行了论述。利用ADAMS软件对悬架结构参数进行优选,在此基础上进行悬架和差动装置的结构设计,并加工出原理样机。对原理样机进行爬坡、越障等性能试验,试验结果表明：各轮载荷分布较均匀,适应地形能力强,能够爬上坡度为22°的松软沙地,越过200 mm高的障碍。     

月球车差动平衡机构的建模及仿真

车体平衡机构是摇臂悬架式月球车移动系统的重要组成部分,起到调节摇臂悬架运动和受力,减小主车体因地形变化所受的扰动作用.基于轮系式月球车车体差动平衡机构的结构设计,综合考虑了轮齿啮合刚度、摇臂轴扭转变形及齿轮传动回差的影响,建立了虚拟样机模型,在ADAMS软件环境下进行了动态仿真分析,得出该机构的动态特性,为该机构的改进及其在月球车上的实际应用提供了参考依据.     

基于应力分布的月球车轮地相互作用地面力学模型

轮地相互作用地面力学在月球车的设计、性能评价、控制和仿真等方面具有重要作用,是目前基于动力学进行月球车相关研究的瓶颈。基于此,利用针对月球车开发的车轮—土壤相互作用测试系统进行试验,结合试验数据对传统车辆轮地相互作用正应力和切应力分布模型进行修正,并分析月球车轮刺高度对应力分布的影响,从而提出随滑转率变化改变沉陷指数的经验公式,以反映土壤侧向流动等引起的滑转沉陷。对应力分布公式积分得到集中力/力矩计算模型,并结合试验数据进行验证。在载荷为80 N,滑转率从0.05增加到0.6时,模型对于车轮垂直载荷、挂钩牵引力和驱动力矩的计算值与试验数据相比,相对误差不超过10%。模型能够反映滑转沉陷和轮刺效应,可以有效地用于月球车轮地相互作用力学的计算。     

基于虚拟样机技术的小天体着陆器缓冲器的研究

介绍了一种小天体着陆器的组成和原理,缓冲器电磁阻尼采用电机能耗制动的方法实现,同时提出基于斩波调阻的方法来实现电磁阻尼系数的调整与优化。使用Pro／E进行三维实体建模,并通过接口将模型导入ADAMS,使用ADAMS与Matlab进行联合仿真,在Matlab／Simulink中进行阻尼力的规划,对比了半主动控制和被动控制着陆方式的着陆性能,通过虚拟样机技术为物理样机的设计提供基础。     

UUV发动机的联合仿真研究

应用UG软件采用自下而上的建模方式,建立了UUV发动机的简化模型并导入ADAMS软件中生成虚拟样机模型,利用相关实车数据对其进行了验证,之后在Matlab／Simulink中建立发动机的控制模型,基于ADAMS／Control控制模块与Matlab／Simulink接口进行联合仿真,得到发动机关键部件在不同工况下的受力情况,并联合ANSYS／Ls_dyna对主要零件进行了强度校核,为发动机的优化改进提供指导和依据。     

轻量化行星采样机械臂虚拟样机系统

针对行星探测车采样机械臂开发效率低及成本高的问题,采用虚拟样机技术,对探测车采样机械臂的结构、功能、功耗及控制系统等方面进行了研究,提出了一种轻量化、低功耗、多功能四自由度采样机械臂的设计方案,确定了各关节的驱动方案,并对驱动部件进行选型。基于SolidWorks软件,实现三维模型的建立,并利用ADAMS软件,建立采样机械臂动力学模型。应用D-H法建立采样机械臂关节坐标并确定连杆参数,求解正、逆运动学公式,采用三次多项式方法对关节空间进行轨迹规划。利用ADAMS和Matlab搭建虚拟样机联合仿真系统,进行联合仿真实验。仿真结果表明,该采样机械臂设计方案合理,达到轻量化、低功耗目的,控制系统稳定可靠,能够实现支起、收回、采样等功能。     

主被动结合式月球车悬架设计

月球车采用遥操作或半自主的移动方式,这种方式潜在的问题是对于周围环境信息收集十分有限,从而使月球车面临若干因地形起伏不平而隐蔽的不可通过障碍物,造成重心失稳,并导致倾覆,进而使其面临危险.如何提高地形适应能力是月球车移动系统设计考虑的首要问题,通过对自主研制的FDTM型月球车行走系统的优化设计,提出一种新型主被动结合的月球车悬架方案,方案采用空间三点支撑结构,通过两个支撑点动态调节即可实现三自由度姿态调整,使月球车在未知环境下的行驶稳定性和抗倾覆性显著提高.     

具有滑移的摇臂式月球车建模与控制

研究了具有滑移、六轮独立驱动的摇臂式月球车建模与控制问题。利用拉格朗日法分析了该月球车受力状况及其动力学模型,并得出在考虑小滑移率、小失配角时的摇臂式月球车动力学模型可表示为以车轮支撑力及其作用位置、地面力学特性、摇臂位形为参量,以月球车平动速度及转动速度、车轮转动速度为状态,以电动机驱动电流(电压)、方向轮位形为输入的仿射性微分方程组的定性结论。从而可以根据实时检测月球车车轮支撑力运用模糊变结构控制方法对月球车动力学系统控制律进行实时修改达到对月球车伺服控制的目的。     

行星轮式月球车移动系统的关键技术

为提高月球车的越障能力,重点考虑提高车轮的越障能力,成功研制了一种采用扭杆弹簧和磁弹簧减振器并联悬架,且每个行星车轮独立驱动的月球车。在行星车轮不翻转越障条件下,推导了月球车两个前行星车轮同时越障时可以爬过的垂直障碍高度与车辆参数的关系,并进行了ADAMS仿真。对行星轮式月球车进行了动力学分析,确定了行星车轮的等效地面不平度函数,并在此基础上建立了7自由度月球车振动系统模型,根据模型的计算结果确定了扭杆弹簧刚度和减振器阻尼的最佳参数范围。同时,进行了月球车爬坡试验和垂直越障能力试验研究,还模拟月球的低重力环境进行了整车的低重力试验。     

具有解耦功能的二维倾角模拟装置

星球探测车是人类进行星球探测必不可少的工具,为了对星球探测车在实验室内进行崎岖地形上的模拟试验,采用一个具有二维倾角功能的运动平台,并搭配不平路面的模拟来实现崎岖的地形模拟。通过深入研究运动平台的二维运动特性,发现两侧均采用曲柄导杆机构驱动,并同时进行两个方向的倾斜运动时,此空间机构的二维运动具有耦合特性,于是使用补偿铰链来实现对二维耦合运动的解耦。通过对提出的机构进行理论推导分析,并使用仿真与试验进行验证,最终实现了运动平台的两个方向上同时倾斜运动并互不干涉,为星球车崎岖地形模拟试验奠定了基础。     

轮式倒立摆的数学建模及状态反馈控制

轮式倒立摆是检验各种控制理论的理想模型,首先采取牛顿力学分析的方法,依次得出轮式倒立摆中直流电机、车体和摆杆动力学方程,从而基于小角度线性化方法得出轮式倒立摆的近似线性模型;然后基于Matlab进行轮式倒立摆的状态反馈控制,设计出其控制律,验证其可行性,但是轮式倒立摆的数学模型通常是经线性化处理后得出,为了提高仿真准确性,再基于虚拟样机技术,对轮式倒立摆进行Madab与ADAMS的联合仿真,仿真结果显示系统响应曲线在规定时间内迅速收敛至O附近．此结果不仅验证了联合仿真中状态反馈控制的正确性,而且表明联合仿真是控制理论研究中值得推广的方法。     

双足机器人基于ADAMS与Matlab的联合仿真

为提高双足机器人设计的效率与可靠性,建立基于虚拟样机技术的仿真系统.在ADAMS中建立双足机器人的机械动力学模型,利用Matlab中的Simulink工具箱建立控制系统,通过ADAMS与Matlab的接口ADAMS/Controls模块,实现双足机器人基于ADAMS与Matlab的联合步行仿真.虚拟样机联合仿真方法面向多领域,可避免复杂的人工建模和求解过程,仿真逼真且接近实际系统,为双足机器人物理样机的研制提供依据.     

月球车月面支撑通过性研究及车轮优化设计

车轮是月球车唯一与月面接触,并通过与月壤作用产生动力推动月球车在月面行走的部件,对月球车车轮的月面支撑通过性研究是保障月球车移动性能的关键环节.从提高附着力、控制沉陷量和减小滚动阻力三方面着手,分析了各因素的影响作用,据此提出了车轮优化方案,有限元仿真分析显示,该车轮方案具有较好的支撑通过性能.     

基于构型的轮式空间探测机器人创新设计与优化

针对方案性能评价与优化，提出了基于构型的创新设计方法，建立了轮式空间探测机器人的综合评价与优化模型。基于虚拟样机软件ADMAS12．0和控制仿真软件MATLAB6．5开发了轮式空间探测机器人移动性能综合评价与优化软件，从构型创新、构型组装、方案优化三个层次对轮式空间探测机器人机械景统和控制系统进行综合评价与优化，得到多种优化方案及其优化参数。以双曲柄滑块轮式机器人为研究对象，得到了相对较优的设计参数，从而验证了所提出方法的有效性。