月球车驾驶运动感知特性研究

航天员月球车驾驶技能地面训练需要模拟逼真的运动感知特性,其关键在于掌握地面与月面驾驶运动感知的差异。笔者建立了高度逼真的月球车驾驶运动仿真场景,模拟月球车驾驶运动的地月差异;开发了以空间定向模型为框架的人体运动感知软件,仿真比较了月球车驾驶前向运动感知的地月差异。结果表明,月面环境下月球车加速度变化范围减小、加减速缓慢且易发生侧滑;视觉信息受限时动态俯仰角感知显著大于地面,而静态俯仰角感知则大大降低;这种地月差异在加入视觉信息后大幅度减少。揭示了月面与地面驾驶运动感知特性的差异,为月球车驾驶运动模拟策略的优化提供了依据。

考虑崎岖地形的月球车路径规划与跟踪控制研究

为优化月球车运动路径,避开月球陨石坑和高地等月面静态障碍物,以安全、高效抵达目标任务点,提出了一种结合A∗算法和人工势场法的融合算法。首先,利用A∗算法在栅格地图中生成从起点到终点的最优安全路径;然后,设计全局路径分割方法,按阶段进行基于人工势场法的局部路径规划,并基于Lyapunov稳定性理论设计了全局渐进稳定的轨迹跟踪控制律;最后,通过Blender软件制作仿真月表环境,并使用ROS Gazebo仿真平台进行轨迹跟踪仿真验证。仿真结果表明:提出的融合算法生成的移动路径相较于普通A∗算法路径更短,转折次数更少,并加入人工势场算法进行局部避障,极大提高了月球车运动安全性,验证了所提出算法的可行性和有效性。

载人月球车柔性太阳翼设计与分析

为满足载人月球车关于太阳翼的高刚度、可重复收展和轻量化的性能要求,在国内外星球车太阳翼、柔性太阳翼研究的基础上,提出了一种基于连杆机构的柔性太阳翼展开机构总体方案,根据能量守恒原理对太阳翼进行了展开运动学分析。将太阳翼结构简化为张拉索-梁模型,建立了柔性阵面和太阳翼的结构动力学分析模型,基于刚度需求对太阳翼结构进行轻量化优化设计,并通过ABAQUS有限元模型验证了结构优化设计的可行性和合理性。结果表明:太阳翼在涡卷弹簧驱动下展开到位时存在一定的冲击,但是对阵面影响较小。该张拉膜结构等效结构动力学模型可用于柔性太阳翼结构的快速迭代和优化设计,并实现柔性太阳翼支撑结构刚度和阵面张力的高效匹配。

月球车长距离可达性分析与路径规划方法研究

针对目前全月范围高分辨率数字高程模型缺乏的现状,提出一种高分辨影像与全月数字高程模型结合的分级路径规划方案。首先,基于全月中等分辨率(20 m)数字高程模型进行全局初始路径规划;然后,利用米级的遥感影像构建初始路径周围的正射影像,基于构建的高分正射影像进行路径的优化,获得最后的长距离路径规划。以中丰富海、西南丰富海及斯内利厄斯月谷等具有科学价值的区域综合起来作为大范围实验区进行长距离可达性分析与路径规划实验,并通过局部的高分辨率高程模型进行规划结果验证。实验结果表明:该方法能在高分数字高程模型受限的情况下,保证月球车路径规划的可靠性,研究可为中国新型月球车的设计、任务论证及后续的工程实施提供关键技术支撑。

月球车与月壤交互作用的离散元-多体动力学耦合建模

目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discrete element method, DEM)和多体动力学(multibody dynamics, MBD)笛卡尔方法建立了散体球形颗粒和含约束多体系统的动力学模型,并基于Hertz-Mindlin模型计算颗粒与刚体的接触力,在此基础上给出顺序耦合策略,建立了离散元和多体耦合的动力学模型。针对月球车齿状车轮的非光滑表面与颗粒之间接触检测规模庞大的问题,提出了非光滑形状物体的分区域局部检测方法,降低了局部检测的规模。通过对比圆柱体冲击颗粒的试验和仿真结果,验证了离散元-多体耦合模型的准确性。在耦合动力学建模和接触算法研究的基础上,对具有齿状车轮的月球车在月壤上行驶过程进行动力学仿真,研究不同驱动参数下的系统动力学特性以及不同轮胎形状对行驶运动的影响,研究结果表明,交错形轮齿的月球车相较直齿形轮齿前进距离多14%,前进效率较高,该研究对月球车的设计具有理论指导意义。

载人月球车全向(全局)月面路谱模型研究

为保证载人月球车等月面高速移动机器人路谱模型的准确性和规范性,对月球表面月谱进行了数学建模与仿真。利用谐波叠加法建立了二维路谱模型,通过增加横向特征,建立了三维路谱仿真模型,并建立了月表陨石坑和石块的典型模型,从叠加了陨石坑和石块模型到三维的平坦月海、高地和崎岖月海的数学模型中,获得了典型月面路谱的数字化特征,该特征与月貌真实情况一致。该路谱模型可以作为载人月球车的平顺性和操纵稳定性动力学仿真模型的输入,为载人月球车的性能评价和优化奠定基础。

一种多源测距与视觉惯性融合的月球车定位方法

针对月球车月面探测活动任务中对高精度定位的需求,当前视觉惯性定位方法存在误差累积,并且在缺乏先验环境信息时无法消除,基于三角测量原理的无线电定位方法可以通过测量接收端到至少三个不同发射端的距离来确定目标物体位置,但需要架设三台以上基站,因此难以满足月面环境下大范围定位的需求。文章提出了一种基于基站无线测距和视觉惯性里程计融合定位方法,以解决上述定位手段存在的问题。该方法首先利用视觉惯性里程计构建的环境模型将WIFI、UHF和UWB三类无线电基站测距信息进行融合,然后将测距结果和视觉IMU信息进行位置联合解算来确定月球车位置,最后在Matlab和Gazebo软件平台上进行仿真验证,在距离基站最远行进1500米的条件下实现了0.92米定位误差。实验结果表明,该方法能够在满足月面探测任务对于精准定位的需求。

载人月球车:应用新技术,踏平坎坷路

当前,我国载人月球车设计进入新阶段.与此同时,国内外不断曝光一些新颖别致的载人月球车方案.事实上,载人月球车需要在月球环境中应对一系列严峻挑战.借助新技术发展成果,它有可能采用一些别出心裁的设计方案,完成日益复杂多样的任务.

载人月球车稳定操控策略设计与优化

为实现高效率大范围的月面探索,载人月球车必须要能够克服月表低重力特性及非结构化月面环境带来的诸多不利影响。为此,提出了一种采用分层架构的载人月球车稳定操控策略,可完成整车全轮力矩矢量分配控制,实现车辆在行驶过程中的驱动防滑及稳定转向目标;同时,策略融合了差动制动防侧翻控制方法与车轮腾空检测报警方法,有效提升了载人月球车在高速行驶过程中的操控稳定性及主被动安全性能。基于MATLAB/Simulink环境完成了不同附着条件下移动操控策略的仿真分析,同时基于原理样机进行了实车验证。仿真及试验结果表明,所提出的移动操控策略合理有效,控制结果良好,适用于具有分布式驱动转向特点的轮式星球车辆,工程应用价值较高。

一种扭转式载人月球车及其高速移动性能研究

针对阿波罗载人月球车在崎岖月面行驶车身晃动幅度过大,车轮离地时有发生的问题,分析月面地形路谱对车身纵向、横向以及对角车轮跳动差的需求,在总结月球车、火星车以及地面车辆提高接地性措施的基础上,提出一种前后车身可相对扭转的载人月球车,通过相对扭转对车轮跳动进行补偿。仿真对比了两种载人车在不同路面下的高速移动能力、平顺性、通过性以及稳定性,对比研究表明:该扭转式载人车在交叉正弦路面具有更高的行驶速度,在随机路面同等行驶速度下具有更高的平顺性,在低速越障、过坑能力等方面也具有明显优势,车身扭转自由度明显增加了载人月球车对崎岖路面的适应性。

基于模糊逻辑的月球车逆运动学求解方法

研究了月球车逆运动学问题,即在月面数字地形图、月球车水平面坐标和航向角给定时,实时估计6轮摇臂转向架式月球车质心高度、位形(configuration)和姿态中的俯仰角和横滚角的问题。分析了6轮摇臂转向架式(rocker-bogie)月球车运动学模型,提出使用模糊逻辑结合虚拟传感器快速实时求解月球车逆运动学问题的新方法。此方法在月球车三维仿真平台中得到验证。实验结果表明此方法求解速度小于1/40s,同时保证月球车车轮到地面的距离小于0.02m。

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80N,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。

行星轮式月球车的越障能力分析

为确定行星轮式月球车的垂直越障能力 ,通过简化力学模型 ,给出了两个前轮同时越障、两个后轮同时越障和单个车轮越障这 3种情况下行星车轮可以爬过的垂直障碍高度与车辆参数之间的关系 ,同时给出该车可以越过的最大垂直障碍高度 .并且用ADAMS软件对这 3种情况进行了仿真分析 .仿真分析表明 。

载人月球车移动系统综述及关键技术分析

以载人月球车的发展和相关技术为对象,首先对国外载人月球车移动系统的概念设计进行了系统的综述,对载人月球车各种概念设计的特点进行了比较和分析,探讨了载人月球车的设计趋势;其次以阿波罗载人月球车移动系统结构为例,分析其移动系统的主要构成作为借鉴;然后从机构学、地面力学及动力学等方面在载人月球车研究中的应用现状进行了综述;最后提出了载人月球车移动系统的关键技术,指明了当前亟需解决的关键技术及难点所在。

行星越障轮式月球车的设计

为提高月球车的越障能力 ,结合月球表面的复杂环境 ,设计了一种行星越障轮式月球车 .该车主要由 3大部件组成 :车架、悬架 (由扭杆弹簧和磁弹簧减振器并联构成 )和行星越障轮 .设计重点在月球车的行驶系统 ,该车不仅在悬架设计上考虑了行驶系统的越障性能———采用了扭杆弹簧和磁弹簧减振器相结合的形式 ,而且在车轮的设计上也考虑到车轮本身的越障能力———采用了行星越障轮 .对该车的行驶系统进行了概述 ,并对行驶性能进行了分析和计算 .结果表明 :该车具有较强的越障能力和灵活的转弯特性 。

高通过性与平稳性月球车移动系统设计

月表行驶环境恶劣,这对月球车移动系统提出了更高的要求。为提高月球车的移动能力,提出一种具有高通过性和载荷平台平稳性的新型月球车移动系统。该移动系统由正反四边形机构悬架和伸缩叶片复式步行轮组成。正反四边形悬架是一种适用于六轮月球车的非独立悬架,通过与摇臂式悬架进行受力和姿态运动的对比分析和仿真对比分析可知,它可以使月球车具有较高的越障性能并在越障过程中保证载荷平台的相对平稳。同时,针对不同松散程度的月壤,根据车轮-土壤力学原理,设计出伸缩叶片复式步行轮。该种车轮最突出的特点是能够根据车轮与土壤间的相互作用关系,自适应调节叶片入土深度,从而改变车轮的牵引能力、平顺性和能耗。对该种移动系统进行多项移动性能试验,结果表明,该种新型移动系统具有较高的越障能力和保持载荷平台平稳能力,能够在恶劣路况下最大限度的发挥车轮的牵引能力,而且在路面通过性良好时尽可能的节约能耗,增加车轮滚动的平顺性。

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。

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200mm高的障碍。

月壤特性对月球车轮地相互作用力的影响

为了了解月壤特性变化对于月球车轮地相互作用的影响,对月壤的物理和力学特性参数进行分析,制作模拟月壤进行土壤参数测量实验和月球车轮地相互作用实验.根据实验数据及轮地相互作用力学模型进行模拟月壤参数的估计和辨识,将典型月壤参数带入模型进行理论分析和数值分析,并与试验中获取的车轮土壤相互作用数据进行对比.结果表明:土壤的承压特性参数主要影响车轮沉陷量,车轮驱动阻力矩主要受土壤的剪切特性影响,反映土壤物理特性的接触角系数变化对于轮地作用影响相对较小.该研究为进行月球车车轮力学性能的全面分析和月壤参数辨识等的应用提供了理论基础。

月壤力学性质对月球车牵引性能影响的模拟

采用离散元软件PFC2D,对月球车驱动轮在不同力学性质月壤上的牵引通过特性进行了数值模拟。研究采用线性接触刚度模型,通过双轴试验反复调整颗粒细观参数建立月壤离散元模型,其物理力学性质与真实月壤相似。在相同试验条件下,模拟试验与土槽试验结果趋势一致;模拟试验结果表明,挂钩牵引力随颗粒间摩擦因数增加而增加,当摩擦因数在1左右时增加趋于平缓;挂钩牵引力随孔隙率增加而线性减少;挂钩牵引力随粒径分布(rmax/rmin)增加先增加,当粒径分布大于5后减小,挂钩牵引力随重力加速度增加而增加,在1/6地球重力条件下,滑转率20%时,驱动轮的挂钩牵引力约为地球重力时的77.3%。