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1、第39卷 第6期v() Vol. 39 No. 62009年11月Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition) Nov. 2009l:2008201212.:国家自然科学基金项目(50375032);高等学校学科创新引智计划(B07018);/ 8630国家高技术研究发展计划项目(2006AA04Z231).Te:张朋(1980- ),男,博士研究生.研究方向:探测车构型及性能评价. E2mail:starzhly163. om基于地面力学的变质心月球探测车移动性能f ,7, ,Zo(哈尔滨工业大学宇航空间机构
2、及控制研究中心,哈尔滨150080)K 1:简要介绍了变质心月球车(CMR21)的设计要求和机械结构,并基于地面力学的知识,从分析月球车轮地接触力学特性入手,对变质心月球车行走过程中车轮下陷量、运动阻力和牵引力等进行了分析。通过对移动性能的分析,得到了构型参数(车轮参数、质心位置)和地形参数与下陷量、运动阻力、牵引力等性能参数间的关系曲线,给出了月球车车轮、质心位置和轮距等构型参数的设计原则,论证了质心对于月球车移动性能的重要性。最后对变质心月球车进行了仿真分析,验证了其优越的越障性能。1oM:机械设计;移动性能;月球车;变质心;轮地接触;地面力学ms|:TP24 DSM:A cI|:1671
3、25497(2009)0621573206Mobility performance analysis of lunar rover with center of massvaried based on the theory of terramechanicsZHANG Peng,DENG Zong2quan,HU Ming,GAO Hai2bo(Research Center of Aerospace Mechanism and Control,H arbin Institateof Technology,Harbin 150080,China)Abstract: The design req
4、uirement and mechanism of Lunar Rover with Center of Mass Varied (CMR21) are briefly introduced. Based on the characteristics of wheel2soil interaction mechanics, the wheelsinkage, stability margin, motion resistance and drawbar pull of lunar rover in forward mothion areanalyzed using terramechanics
5、 theory. From the mechanics analysis, the relationships between theconfigure parameters (such as thewheel parameters and the position of mass center) and the mobilityperformane indexes (such as the wheel sinkage, motion resistance and drawbar pull) are obtained.The design principles ofthe wheel para
6、meters, position of mass center and the wheel space are given.It is demonstrated that the mass center is crucial to the mobility performance of the lunar rover.Simulation verifies that the CMR21 is superior in obstacle2surmounting performance.Key words: mechanical design; mobility performance; lunar
7、 rover; changing mass center; wheel2soilinteraction; terramechanics过去几年里,各种新型月球探测车不断出现在人们的视线中122。由于月球环境的未知性和探测任务的特殊要求,开发新型月球探测车是一个富有挑战性的研究课题。国内中国空间技术研究院、哈尔滨工业大学、吉林大学、沈阳自动化研究所、中南大学等研究机构和高校承担着行星探测车和相关技术的基础性预研和攻关项目,从仿制国外行星探测车到尝试自主研发,从理论建模v()39到模拟实验等研究,均为我国探月工程的顺利进展积累了经验和基础122。轮式行星探测车以其高速高效、悬架型式灵活多变及控制方
8、便等特点占据了行星探测车的主导位置。为保证载荷平台稳定性,探测车车轮个数多为偶数。2轮探测车结构最简单,但由于其越障和通过能力很差,对其研究较少; 4轮探测车结构简单,早期的探测车很多采用4轮式,但其越障能力较差,为提高其越障性能,移动系统多是特殊设计,通过移动系统变形3或增加辅助轮的方式4改变越障轮的受力情况,不少研究机构仍在改进4轮探测车,使其能够满足探月要求;6轮探测车是目前研究最多的轮式探测车,其越障和通过能力均能达到探测要求,但结构相对复杂;8轮甚至更多轮的探测车在一般应用于独立铰接的移动系统中,提高了探测车的承载能力,但结构更复杂5。本文介绍的4轮变质心月球探测车(CMR21)基于
9、变质心的思想,可主动调节载荷在各轮上的分布,改善越障车轮的受力情况,使其能够达到一般6轮和8轮探测车的越障能力,而且其移动系统结构相对简单,可靠性提高。1 变质心月球探测车结构方案月球探测车的设计要考虑月球表面环境的影响。月球表面真空、低重力,为岩石碎屑沉积层。在较平坦的月海地形处有个别尚未粉碎的岩石裸露表面,有些地方有着坡度不大的斜坡。月球探测车进行月表探测需具有一定的越障能力、通过能力,并要具有很高的稳定性和可靠性。为此,CMR21的设计主要遵循的原则为:车轮与月面土壤的压力不能超过月壤的承载力,车轮的沉陷量小于0. 3 m;探测车能够爬越一定高度的障碍和斜坡,根据中国航天5院提出的技术参
10、数,探测车应越过的障碍高度为200 mm,硬地面爬坡不低于30b;以保证探测车纵向和横向斜坡的驻坡稳定性。CMR21机械部分由载荷平台和移动系统组成。移动系统是载荷平台与地面间传动系统的统称,包括车轮、悬架、转向机构、变质心机构和差速器。悬架采用单摇杆连接同侧车轮,两前轮上装有转向机构。变质心机构固定于差速器上,通过导轨与载荷平台相连,调节载荷平台与悬架的相对位置。差速器平衡两侧悬架摆角,如图1所示。m1 MomFig.1 Model of lunar rovewith center of mass varied2 轮地作用特性分析刚性车轮在松软月面上行驶,不可避免地会发生下陷,其最大下陷量由
11、静下陷和动下陷6组成z= 1N 3W(3- n)(kc+ bk D/2时,前轮越障需要的牵引力为DPF= mg(1- a/L)1+ D/(2L) (15)m6 p?( h D/ 2)M1mFig. 6 Relationships between 2h/D and a/L, attachment coef探测车前轮遇到障碍时,后轮所受垂直载荷增加,由图7和公式(15)可看出,前轮越障阻力随着质心位置的后移而逐渐减小11,而所需要的牵引力降低,后轮反之。受悬架构型和质心安装位置的影响,探测车的前后轮越障能力一般不同,探测车的整体越障能力取决于越障能力较低的车轮,由图7中可以看出质心布置在车体水平方
12、向的中央位置(即a/L= 0.5)时,在越过同一障碍时后轮的越障阻力明显偏大,这也从另一个方面说明了质心安装位置对于探测车越障能力的影响,质心位置的变化可以改善车轮的受力情况,提高其越障性能。爬坡时后轮所受阻力较大,较早达到电机最大输出力矩而发生失效(图8),增加的阻力进而导致前轮电机失效,从而使探测车失去移动性能。解决的办法有:采用较大力矩电机,最大输出力达到地形的最大附着力,但此法消耗了较大的能源;调节探测车质心位置,使前后轮所受的法向载荷相同,提高运动约束来提高其爬坡性能。m7 pERa/L1mFig. 7 Obstacle resistance as a function of mas
13、s centerposition质心的安装位置对于探测车的稳定性亦有较大影响。静态稳定性用驻坡裕度表示,包括纵侧两个方向,分别可表示为Dz= minatan(a/hc),atan(L- a)/ hc) (16)Dc= minatan(Ba/hc), atan(B- Ba)hc) (17)式中:hc为质心安装高度;Ba为质心横向位置。#1576#6f ,:MoM?m8 M4?Fig. 8 Improveclimbing capability by changingmass center由驻坡裕度可求得轮距和质心安装高度的关系。在轮距确定时,其最大质心安装高度亦定;反之亦然,在安装载荷平台底部零部
14、件时还应注意离地间隙应满足hg 0. 5(D+ dh)- (D+ dh)2- L2)(18)式中:dh为凸起障碍直径。动态稳定性用最大爬坡角表示,即Dmax= atan(DP/Ww) (19)可见,质心位置对于探测车越障能力和稳定性有重要影响。变质心探测车的纵横方向轮距可根据要求的静态稳定角进行设计。由图4和公式(16)、(17)可知,爬坡时调节质心向前轮方向移动,越障时调节质心向非越障轮方向移动,可增强探测车的爬坡能力、稳定性和通过性,降低车轮陷入月壤中的危险,提高其移动性能。4 刚柔混合仿真分析对CMR21进行建模,为贴近实际样车,其悬架采用柔性体,其模态中性文件来自ANSYS,车轮为刚性
15、车轮(有限元分析其弹性变形 0.01D),形成刚柔混合模型。根据美国FederalHighway(1998)提供的经验公式计算地形的刚度和月壤阻尼12为K= 1.77 rE1- v2 (20)Cz= 3.4 r21- v GQs (21)图9为车体和两侧悬架运动过程中的摆角变化曲线,从图中可看出差速器平衡了两侧悬架的摆角。m9 8OFig.9 Swing angles of suspensions and rover body图10为探测车刚起动时,车轮滑转速度和下陷量的变化。由于未考虑前轮车痕对后轮的影响,所以前后轮数据相同。刚起动时,车轮抖动,车轮滑转率更高,达100%,为此必须对起动阶段的滑转进行控制。m10 H/JMFig.10 Slippage velocity and sinkage during starting stage当变质心探测车遇到较高障碍(高度大于半径),车轮完全打滑时,停止车轮转动,进行变质心,变质心的距离由检测到的障碍高度决定。变质心后再进行越障。图11为前轮越障时竖直法m11 -pHE_
