工程用模拟火星壤研制与地面力学参数就位估计研究

发布时间：2018-03-01 20:09

本文关键词： 模拟火星壤模拟月壤剪切特性承压特性地面力学参数识别　出处：《吉林大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随我国深空探测的逐步推进,继人造卫星、载人航天和探月工程之后,适时开展以火星勘探为主的深空探测计划是中国科学技术发展和航天远景规划的必然选择。目前,国内科研人员已对模拟月壤的研制、模拟月壤与月球车车轮的轮壤关系进行了大量的研究,但火星巡视探测器在火星表面通过性的研究却还没有完全展开。在行星探测过程中,轮式巡视探测器具有很多优点:结构简单以及在未知环境中具有较好的移动性能。并且轮式巡视探测器可以拓展宇航员的活动范围和工作效率,但是轮式巡视器在复杂的地外行星表面行驶时,有可能陷入地表松软的星壤而无法行驶。因此,在行星探测计划中,必须对所探测行星的地表星壤进行深入的研究。只有充分了解星壤的物理力学特性,才能提高巡视探测器的移动性能,例如评估挂钩牵引力和车轮扭矩的大小。同时,了解星壤的特性也有助于提高着陆器安全着陆,提高巡视探测器的可通过性,提高我们对行星地表组成的认知。但是截至目前,人类还没有从火星取得火星壤或火星岩返回地球,无法像月壤一样应用地面先进的科学仪器对火星壤进行更为细致的科学分析。因此,对火星壤的特性研究仅能通过在轨卫星和火星巡视探测器的就位分析获取,例如海盗号探测器、索杰纳巡视探测器、勇气号巡视探测器、机遇号巡视探测器和好奇号巡视探测器。所有的这些巡视探测器都携带了成像系统,可以拍摄火星未经扰动的地表和经过扰动后火星壤。本文根据已经成功登陆火星的巡视探测器并进行火星壤就位分析的数据入手,并结合国际上已经使用的各种模拟火星壤的原料选择、粒径分布及力学特性,设计一种用于巡视探测器地面试验的工程用的模拟火星壤,并测试其物理力学特性;基于经典地面力学理论,结合最小二乘支持向量机方法对星壤的剪切力学参数反演,采用遗传算法对星壤承压力学参数进行反演,并用偏最小二乘判别方法对星壤的力学状态进行估计。通过反演和估计的星壤力学参数,可为巡视探测器的通过安全性、风险评估和路径规划提供参考。主要的研究内容如下:(1)本文统计了火星表面火星壤的物理力学特性,包括地表特征、地表沉积物的颗粒形状、火星壤的剪切特性和化学组成。由于没有专用的仪器直接测量火星壤的物理特性,因此应用巡视探测器采样铲和车轮作为测量工具评估火星表层或次表层(不超过30cm)的火星壤特性。然而,即使在相似的火星表面,这些方法所获得的数据依然具有很大的波动。经过统计,火星壤的内聚力约为0-4kpa,内摩擦角为30-40°,容重1.0-1.6g/cm3,颗粒密度约为2.65-3.0g/cm3。在此基础上,根据巡视探测器地面试验的具体工程需求,为jlumars模拟火星壤的研制提供基础参考数据。(2)针对不同的需要和目的,目前世界各国研制出了多种模拟火星壤,其中主要的研制国家是美国和欧洲航天局等。由于人类没有获得火星壤,因此没有可供参考的火星壤粒径分布曲线范围。通过对各国研制的模拟火星壤的原料来源、粒径分布、光谱特征和力学特性进行统计分析,为jlumars模拟火星壤研制的原料来源和粒径分布提供参考依据。(3)工程用jlumars模拟火星壤研制研究。纵观世界范围内,各种模拟火星壤的原料几乎都选择火山岩,因此,以我国大陆资源为主要依托,针对国内具有开采规模的火山灰生产场地进行考察调研选择不同类型的火山岩或火山灰作为jlumars模拟火星壤的原料来源。通过与火星壤的化学组成分析、光谱特性分析、容重以及火星表面两处不同目标地点的粒径尺寸的计数统计分析,确定jlumars模拟火星壤的原料来源和粒径分布设计。对比分析了火星壤和jlumars模拟火星壤的颗粒形态,结果表明其颗粒形态均为长条形,部分颗粒具有倒钩结构。测试jlumars模拟火星壤的物理力学参数,内聚力范围0-1.4kpa,内摩擦角范围37-52°,容重0.96-1.41g/cm3。(4)提出了一种用于在线预测星壤剪切力学参数的方法。该方法可用于在轨轮式巡视探测器通过松软路面时,实时估计与其相接触的星壤的剪切力学参数。通过半经验的经典地面动力学模型建立建模数据矩阵,应用最小二乘支持向量机(leastsquaressupportvectormachine,ls-svm)建立多元输出矩阵,用以评估星壤的剪切力学参数。该方法可使巡视探测器在通过星壤表面的同时,对星壤的内聚力、内摩擦角和剪切变形模量进行评估。通过简化的半经验经典地面动力学模型,该方法可以再不需要提供车轮沉陷的前提下对星壤剪切力学参数进行估计。应用轻载轮壤系统进行土槽试验,采集车轮沉陷、挂钩牵引力和车轮扭矩,车轮滑转率为0.2,0.3,0.4,0.5和0.6,轮上载荷分别为30n和50n。另一组试验为轮上载荷为50 N,滑转率连续变化,变化范围为0.2-0.6。试验结果表明,应用滑转率、轮上载荷和车轮扭矩,结合LS-SVM多目标输出,可以较为准确的估计星壤的剪切力学参数。试验测得挂钩牵引力和估计的挂钩牵引力的相关系数和均方根误差分别为0.9107和1.8856 N。(5)提出应用遗传算法(Genetic Algorithm,GA)并结合经典地面力学理论,对星壤的承压力学参数进行反演。以巡视探测器轮上载荷、车轮扭矩和滑转率等为输入变量,通过GA对星壤的组合变形模量和滑转沉陷指数系数进行反演。然后应用反演的承压力学参数,结合修正的Bekker承压模型对车轮沉陷进行实时预测。当铸铝筛网轮在JLU-2模拟月壤上行驶时,反演的承压力学参数为[sk,1n,2n]=[1017.341,1.112,0.649],车轮沉陷的预测值和测量值的相关系数为0.9660;当铸铝轮在JLU Mars 2模拟火星壤上行驶时,反演的承压力学参数为[sk,1n,2n]分别为[1929.586,1.038,0.861],车轮沉陷的预测值和测量值的相关系数为0.9649。(6)为评估在轨巡视探测器周边环境星壤力学性能,以巡视探测器车辙信息、轮上载荷和滑转率作为基本参数,提出了16个二元及三元标识量,结合偏最小二乘判别方法(Partial Least Squares Discriminant Analysis,PLS_DA)建立评估星壤力学状态模型。为评估月壤的力学状态,以非参数化的紧实度对模拟月壤力学状态进行分级,分别以松软状态、自然状态和紧实状态三种模拟月壤力学状态进行划分。应用轻载筛网轮-土槽系统采集共247组试验数据,每种模拟月壤状态的试验数据按照2:1比例随机划分为校正集样本和预测集样本,最终校正集和预测集样本个数分别为166和81个。考虑到原始数据值相差大和所提出部分标识量包含冗余信息的特点,因此在建立PLSDA模型时,应用均值中心化(mean center)预处理方法对原始数据进行数据预处理,并优选10个标识量建立识别月壤力学状态的PLSDA模型,对应的校正集的准确率和预测集的准确率分别为90.96%和90.12%。结果表明,应用PLSDA方法并结合巡视探测器的车辙信息、轮上载荷和滑转率以及优选标识量所建立的评估月壤力学状态判别模型,其计算快速准确,可用于巡视探测器在轨评估车轮前方月壤的力学特性和通过性能评估,为进一步动作指令的决策提供参考数据。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P185.3

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