星球车轮高滑转沉陷轮地作用试验及建模研究
发布时间：2022-02-15 13:06
21世纪以来,深空探测迅速发展,我国也预计将在2020年执行首次火星探测任务。未来的深空探测将面对更加复杂的地形和更富挑战性的探测任务。轮-步式火星车结合了轮式运动的高能效特性和步态运动的高地形适应性,成为我国火星探测车的优选方案。复杂的探测环境以及新的火星车结构会带来车轮高滑转的工况,严重的高滑转会使车轮失去牵引能力,进而造成陷车现象的发生,然而关于星球车轮高滑转运动的研究相对较少。星球车高滑转轮地力学问题是未来深空探测的瓶颈问题。试验是研究轮地力学的有效手段。对车轮在星壤中运动的受力状态进行分析,采用沉陷量、挂钩牵引力、驱动力矩、牵引力系数、阻力系数等作为试验评价指标。运用单轮测试台和试验车轮进行单轮试验,对速度效应、载荷效应、轮刺效应以及滑转率的影响进行了试验研究,试验发现车轮在高滑转工况下会发生动态沉陷,挂钩牵引力等评价指标的变化规律与低滑转下变化规律有所不同。使用三轮星球车进行整车试验。试验研究为后续的原理分析和模型建立提供了试验基础。从宏观试验现象出发,对车轮动态沉陷过程进行分析,是提高轮地作用动态力学模型预测精度的关键。分析得出了高滑转工况下车轮挂钩牵引力会随沉陷量的增大...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
勇气号车轮深度沉陷[2]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-1-第1章绪论课题来源及研究的背景和意义课题来源本课题来源于国家自然科学基金优秀青年科学基金项目，项目名称：机器人地面力学及应用方法（项目批准号：51822502）。课题的研究背景从1950年开始，星球探测便得到了很多国家的重视，自1997年美国的“Sojourner”号漫游车在火星成功着陆以来，全球各个国家对地外行星的探索热情日益高涨。未来的星球探测任务将面临更加复杂的地形，星球探测车作为星球表面探测的主要探测器，需要拥有更好的移动性能以穿越松软地面，爬越陡峭的斜坡等。星球表面的星壤常间杂分布，硬质地面和软质地面的切换很快，往往没有明显的过渡区域。车轮在承载能力较差的软地中行进时沉陷深度较大，车轮打滑严重。如美国“机遇号”火星车在2005年陷入“Purgatory”沙丘中[1]；“勇气号”火星车在2009年陷入“HomePlate”高原的沙土中，图1-1中所示为勇气号在松软星壤中发生了高滑转沉陷[2]。图1-2为火星车试验样机在爬越斜坡时产生的高滑转沉陷现象。图1-1勇气号车轮深度沉陷[2]图1-2高滑转导致的大沉陷现象主动悬架式星球车可以结合轮式移动的高能效特性和步行移动方式的高地形适应能力，可以解决松软星壤上大沉陷自主脱陷问题、大角度松软坡面上爬坡问题，成为我国火星探测计划的优选方案。图1-3为主动悬架式火星车三维结构图和工程样机。火星车通过离合器进行悬架1个主摇臂和2个副摇臂关节的主被动切换，可以组合出多种运动模式：轮式行进模式、蠕动步进模式等[3]。轮式和步式运动的切换过程中，车轮需要经历由高滑转率导致陷车的滑转自陷状态，或者临界状态。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-2-右夹角调节机构右离合器左离合器差动器左前轮左中轮左后轮右后轮右中轮右前轮摇臂前段摇臂后段左夹角调节机构a)三维结构图b)工程样机图1-3主动悬架式火星探测车a)三维结构图b)工程样机[3]新的星球车结构以及更富挑战性的探测任务带来高滑转、高沉陷的工况。从而会对轮-地相互作用理论提出新的要求。通常认为当滑转率s≥0.6时，车轮即进入了高滑转状态。星球车轮高滑转沉陷为动态过程，轮地作用力是关于时间的函数，属于地面动态力学范畴。由于车轮的高滑转沉陷地面动力学微观原理尚不明晰，缺乏宏观力学模型，因而是目前轮-步式星球车研究过程中的瓶颈问题。课题的研究意义星球车高滑转运动研究是轮地作用地面力学由准静态转向动态研究的切入点星球车轮高滑转沉陷原理及模型的研究具有重要的科学意义和工程价值。机器人地面动力学研究在近几年成为前沿热点[4]，但是轮式机器人的相关研究尚不多见。轮-步式火星车在车轮高滑转运动时，车轮沉陷量将随车轮旋转角度一直增大，且挂钩牵引力也随时间变化，是典型的地面动态力学问题。通过研究车轮的高滑转沉陷可以认识车轮动态沉陷的力学行为，使星球车地面力学由准静态切入动态研究。沉陷原理研究是建立轮-地相互作用力学与星壤力学特性内在联系的关键传统地面力学的理论基础是Bekker承压模型和Janosi剪切模型，这两个模型属于半经验模型。这样的模型对于准静态的研究是适用的，但是车轮在高滑转工况下运作时，会对星壤的物理参数及力学特性产生影响，由于参数的多变性和复杂性，大大限制了半经验模型的应用前景。通过对星壤承载特性和抗剪特性的原理分析，建立基于土力学研究的星壤动态承压和剪切模型，使模型与星壤的真实物理参数建立
【参考文献】：
期刊论文
[1]地面力学在火星壤力学参数估计研究中的进展与展望[J]. 薛龙,党兆龙,陈百超,李建桥,邹猛. 宇航学报. 2020(02)
[2]车辆地面力学研究综述[J]. 何健,马吉胜,吴大林. 火炮发射与控制学报. 2017(02)
[3]轮面曲率半径对沙地刚性轮沉陷性能影响研究[J]. 张锐,吉巧丽,张四华,刘芳,李建桥. 农业机械学报. 2016(11)
[4]土力学理论的发展和面临的挑战[J]. 赵成刚,韦昌富,蔡国庆. 岩土力学. 2011(12)
[5]履带地面力学研究综述[J]. 李军,李强,周靖凯. 农业装备与车辆工程. 2011(08)
[6]月球车驱动轮牵引性能研究[J]. 邹猛,李建桥,张金换,任露泉,李因武. 宇航学报. 2009(01)
[7]月球车不等径车轮在土壤上滚动的力学分析与实验[J]. 陶建国,全齐全,邓宗全,赵文德. 哈尔滨工程大学学报. 2007(10)
[8]地面力学及其在行星探测研究中的应用[J]. 孙刚,高峰,李雯. 力学进展. 2007(03)
[9]月球车车轮与土壤相互作用的力学特性分析[J]. 陶建国,王林,吴凤久,邓宗全. 机械设计与制造. 2006(12)
[10]土动力学现状与发展[J]. 吴世明,徐攸在. 岩土工程学报. 1998(03)
博士论文
[1]工程用模拟火星壤研制与地面力学参数就位估计研究[D]. 薛龙.吉林大学 2017
[2]月/星球车轮地作用地面力学模型及其应用研究[D]. 丁亮.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]星球车轮原地运动作用力学及动态沉陷研究[D]. 杨怀广.哈尔滨工业大学 2015
[2]星球车车轮纵向滑移力学研究[D]. 郭军龙.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3626684
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
勇气号车轮深度沉陷[2]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-1-第1章绪论课题来源及研究的背景和意义课题来源本课题来源于国家自然科学基金优秀青年科学基金项目，项目名称：机器人地面力学及应用方法（项目批准号：51822502）。课题的研究背景从1950年开始，星球探测便得到了很多国家的重视，自1997年美国的“Sojourner”号漫游车在火星成功着陆以来，全球各个国家对地外行星的探索热情日益高涨。未来的星球探测任务将面临更加复杂的地形，星球探测车作为星球表面探测的主要探测器，需要拥有更好的移动性能以穿越松软地面，爬越陡峭的斜坡等。星球表面的星壤常间杂分布，硬质地面和软质地面的切换很快，往往没有明显的过渡区域。车轮在承载能力较差的软地中行进时沉陷深度较大，车轮打滑严重。如美国“机遇号”火星车在2005年陷入“Purgatory”沙丘中[1]；“勇气号”火星车在2009年陷入“HomePlate”高原的沙土中，图1-1中所示为勇气号在松软星壤中发生了高滑转沉陷[2]。图1-2为火星车试验样机在爬越斜坡时产生的高滑转沉陷现象。图1-1勇气号车轮深度沉陷[2]图1-2高滑转导致的大沉陷现象主动悬架式星球车可以结合轮式移动的高能效特性和步行移动方式的高地形适应能力，可以解决松软星壤上大沉陷自主脱陷问题、大角度松软坡面上爬坡问题，成为我国火星探测计划的优选方案。图1-3为主动悬架式火星车三维结构图和工程样机。火星车通过离合器进行悬架1个主摇臂和2个副摇臂关节的主被动切换，可以组合出多种运动模式：轮式行进模式、蠕动步进模式等[3]。轮式和步式运动的切换过程中，车轮需要经历由高滑转率导致陷车的滑转自陷状态，或者临界状态。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-2-右夹角调节机构右离合器左离合器差动器左前轮左中轮左后轮右后轮右中轮右前轮摇臂前段摇臂后段左夹角调节机构a)三维结构图b)工程样机图1-3主动悬架式火星探测车a)三维结构图b)工程样机[3]新的星球车结构以及更富挑战性的探测任务带来高滑转、高沉陷的工况。从而会对轮-地相互作用理论提出新的要求。通常认为当滑转率s≥0.6时，车轮即进入了高滑转状态。星球车轮高滑转沉陷为动态过程，轮地作用力是关于时间的函数，属于地面动态力学范畴。由于车轮的高滑转沉陷地面动力学微观原理尚不明晰，缺乏宏观力学模型，因而是目前轮-步式星球车研究过程中的瓶颈问题。课题的研究意义星球车高滑转运动研究是轮地作用地面力学由准静态转向动态研究的切入点星球车轮高滑转沉陷原理及模型的研究具有重要的科学意义和工程价值。机器人地面动力学研究在近几年成为前沿热点[4]，但是轮式机器人的相关研究尚不多见。轮-步式火星车在车轮高滑转运动时，车轮沉陷量将随车轮旋转角度一直增大，且挂钩牵引力也随时间变化，是典型的地面动态力学问题。通过研究车轮的高滑转沉陷可以认识车轮动态沉陷的力学行为，使星球车地面力学由准静态切入动态研究。沉陷原理研究是建立轮-地相互作用力学与星壤力学特性内在联系的关键传统地面力学的理论基础是Bekker承压模型和Janosi剪切模型，这两个模型属于半经验模型。这样的模型对于准静态的研究是适用的，但是车轮在高滑转工况下运作时，会对星壤的物理参数及力学特性产生影响，由于参数的多变性和复杂性，大大限制了半经验模型的应用前景。通过对星壤承载特性和抗剪特性的原理分析，建立基于土力学研究的星壤动态承压和剪切模型，使模型与星壤的真实物理参数建立
【参考文献】：
期刊论文
[1]地面力学在火星壤力学参数估计研究中的进展与展望[J]. 薛龙,党兆龙,陈百超,李建桥,邹猛. 宇航学报. 2020(02)
[2]车辆地面力学研究综述[J]. 何健,马吉胜,吴大林. 火炮发射与控制学报. 2017(02)
[3]轮面曲率半径对沙地刚性轮沉陷性能影响研究[J]. 张锐,吉巧丽,张四华,刘芳,李建桥. 农业机械学报. 2016(11)
[4]土力学理论的发展和面临的挑战[J]. 赵成刚,韦昌富,蔡国庆. 岩土力学. 2011(12)
[5]履带地面力学研究综述[J]. 李军,李强,周靖凯. 农业装备与车辆工程. 2011(08)
[6]月球车驱动轮牵引性能研究[J]. 邹猛,李建桥,张金换,任露泉,李因武. 宇航学报. 2009(01)
[7]月球车不等径车轮在土壤上滚动的力学分析与实验[J]. 陶建国,全齐全,邓宗全,赵文德. 哈尔滨工程大学学报. 2007(10)
[8]地面力学及其在行星探测研究中的应用[J]. 孙刚,高峰,李雯. 力学进展. 2007(03)
[9]月球车车轮与土壤相互作用的力学特性分析[J]. 陶建国,王林,吴凤久,邓宗全. 机械设计与制造. 2006(12)
[10]土动力学现状与发展[J]. 吴世明,徐攸在. 岩土工程学报. 1998(03)
博士论文
[1]工程用模拟火星壤研制与地面力学参数就位估计研究[D]. 薛龙.吉林大学 2017
[2]月/星球车轮地作用地面力学模型及其应用研究[D]. 丁亮.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]星球车轮原地运动作用力学及动态沉陷研究[D]. 杨怀广.哈尔滨工业大学 2015
[2]星球车车轮纵向滑移力学研究[D]. 郭军龙.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3626684
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3626684.html
