可折展載人月球車移動(dòng)性能仿真與試驗(yàn)分析

高海波，范雪兵,2，鄧宗全，丁　亮，劉　振

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 宇航空間機(jī)構(gòu)及控制研究中心，哈爾濱 150001；2. 東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 132012)

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可折展載人月球車移動(dòng)性能仿真與試驗(yàn)分析

高海波1，范雪兵1,2，鄧宗全1，丁亮1，劉振1

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 宇航空間機(jī)構(gòu)及控制研究中心，哈爾濱 150001；2. 東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 132012)

摘要:為更加有效地研究載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)低重力環(huán)境下的移動(dòng)性能，建立了載人月球車仿真模型，并對(duì)地月兩種不同重力環(huán)境下的移動(dòng)性能進(jìn)行了仿真對(duì)比分析，在地面重力條件下極限越障高度明顯降低。輪地相關(guān)參數(shù)不變，僅改變重力加速度，仿真得到載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)地面重力下最大可爬坡角度小于月面重力下可爬越最大坡角。同一越障高度，土壤相關(guān)參數(shù)一致，重力加速度不同的情況下，地面重力條件下移動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)心加速度明顯大于月面重力條件下的質(zhì)心加速度值。在移動(dòng)性能仿真分析基礎(chǔ)上，對(duì)可折展載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)地面原理樣機(jī)進(jìn)行了搭建，在保證地月不同重力環(huán)境下車輪及懸架承受的有效載荷一致的前提下，在地面重力條件下，利用實(shí)驗(yàn)室松散沙土模擬月壤進(jìn)行了越障和爬坡等通過性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的移動(dòng)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)約束要求，為后續(xù)載人移動(dòng)系統(tǒng)的深入設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:可折展載人月球車；移動(dòng)性能；仿真分析；性能試驗(yàn)

1引言

隨著無人探月工程的深入及載人探月工程的逐步啟動(dòng)，載人月球車作為航天員登陸月球有效完成探測任務(wù)的主要媒介和工具，其相關(guān)理論、研制以及相關(guān)試驗(yàn)研究已十分必要[1-4]。載人月球車需要由著陸位置克服各種障礙到達(dá)探測地點(diǎn)，完成相關(guān)探測任務(wù)。月表地形復(fù)雜，石塊、環(huán)形坑和斜坡等形態(tài)尺寸各異的未知地形廣泛分布，對(duì)載人月球車的移動(dòng)性能提出了挑戰(zhàn)[5-6]。

載人月球車除滿足適應(yīng)月面非結(jié)構(gòu)化環(huán)境、功耗低、驅(qū)動(dòng)力大等無人月球車的要求外，還要滿足大載荷、具有較高的時(shí)速及航天員乘坐舒適性等多方面要求，與無人車在設(shè)計(jì)理論及方法上存在較大差異。為了更加有效地對(duì)載人月球車原理樣機(jī)的移動(dòng)性能進(jìn)行分析，首先搭建載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)，然后建立模擬月壤上載人月球車仿真模型[7-10]，對(duì)其移動(dòng)性能進(jìn)行仿真分析，并對(duì)不同重力條件下的性能進(jìn)行對(duì)比分析。在移動(dòng)性能仿真基礎(chǔ)上，在地面重力條件下，利用實(shí)驗(yàn)室松散沙土模擬月壤進(jìn)行平地、轉(zhuǎn)向、越障和爬坡等通過性能試驗(yàn)，為后續(xù)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

本文所研究的載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)具有可折展的功能，以減小儲(chǔ)運(yùn)過程中所占用的包絡(luò)空間。折展過程如圖1(a)所示，整備和折疊狀態(tài)分別如(b)和(c)所示。

圖1　載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)折展功能實(shí)現(xiàn)Fig.1　Deployment of the manned lunar vehicle locomotion system

2載人月球車移動(dòng)性能仿真分析

載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)仿真模型的建立主要是為了探討載人月球車虛擬環(huán)境仿真參數(shù)的合理設(shè)置問題[11]，以解決月表地形環(huán)境的描述以及虛擬環(huán)境中月表地形的合理建模，從而使仿真結(jié)果能夠真實(shí)地反映載人月球車的移動(dòng)性能。

2.1仿真相關(guān)參數(shù)設(shè)置

月表地形主要分為三類：一是連續(xù)分布地形，在一定范圍內(nèi)保持地貌特征的一致性，如平坦的月海地形和連續(xù)的山脈等；二是離散分布地形，在一定范圍內(nèi)保持地貌特征變化多樣，由坡道、巖石和沖擊坑等地形組合而成；三是隨機(jī)分布地形，無規(guī)律可循。月表探測區(qū)域內(nèi)的地形主要通過衛(wèi)星航拍來確定，著陸時(shí)往往選擇月表相對(duì)較平坦的區(qū)域作為載人月球車的著陸位置[11]。故在針對(duì)載人月球車原理樣機(jī)移動(dòng)性能仿真分析時(shí)，僅針對(duì)前兩種典型的結(jié)構(gòu)化地形進(jìn)行分析。

載人月球車移動(dòng)性能仿真主要包括爬坡性能和越障性能仿真及分析。在不改變土壤參數(shù)的前提下，在地月不同重力加速度條件下，分別進(jìn)行載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)爬坡性能和越障性能仿真，并對(duì)質(zhì)心高度等進(jìn)行比較，為地面重力條件原理樣機(jī)的移動(dòng)性能試驗(yàn)提供參考[12-15]。

2.2爬坡性能仿真

月面環(huán)境下載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)爬坡仿真過程[16-17]如圖2所示。載人月球車車輪滑轉(zhuǎn)率[8,13]如圖3所示，在移動(dòng)系統(tǒng)爬坡過程中，滑轉(zhuǎn)率呈不斷上升趨勢，兩前輪滑轉(zhuǎn)率變化基本保持一致，兩后輪滑轉(zhuǎn)率變化基本保持一致，兩前輪與兩后輪滑轉(zhuǎn)率的差異出現(xiàn)在爬坡階段，且兩后輪的滑轉(zhuǎn)率要低于兩前輪，在載人月球車成功爬上斜坡后，四個(gè)車輪滑轉(zhuǎn)率變化又呈現(xiàn)一致上升的趨勢。

圖2　載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)爬坡仿真過程Fig.2　Simulation of slope climbing of the manned lunar vehicle locomotion syste

圖3　載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)爬坡車輪滑轉(zhuǎn)率Fig.3　Slip ratio of wheels for slope climbing of the manned lunar vehicle locomotion system

改變坡角并對(duì)載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)心高度變化進(jìn)行比較，如圖4(a)所示，圖中曲線1和2分別對(duì)應(yīng)坡角為20°和23°，曲線3對(duì)應(yīng)坡角為25°。前兩次載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)爬上了斜坡并可運(yùn)行一段距離，而第三次移動(dòng)系統(tǒng)兩后輪爬上斜坡后出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，移動(dòng)系統(tǒng)不再沿坡面行進(jìn)，故質(zhì)心位置基本保持不變。輪地相關(guān)參數(shù)不變[10-11]，僅改變重力加速度，仿真得到載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)最大可爬坡角度約為21°，如圖4(b)，小于月面重力條件可爬越最大坡角。

圖4　載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)爬坡質(zhì)心高度變化Fig.4　Changes of COM height of the manned lunar vehicle locomotion system during slop climbing

2.3越障性能仿真

在月面環(huán)境下越障對(duì)于載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)來說具有挑戰(zhàn)性。仿真時(shí)除采用月面重力外，其余輪地相關(guān)參數(shù)設(shè)置依據(jù)月面條件給出。圖5所示為載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)越障仿真過程。

圖5　載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)越障仿真過程Fig.5　Simulation of obstacle crossing of the manned lunar vehicle locomotion system

對(duì)不同越障高度進(jìn)行仿真，可得到圖6所示載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)心高度在越障過程中隨時(shí)間的變化情況。

圖6　月面重力移動(dòng)系統(tǒng)越障仿真質(zhì)心高度變化Fig.6　Changes of COM height of the locomotion system during obstacle crossing in lunar gravity

圖6中的四條曲線分別對(duì)應(yīng)載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)越障高度，分別為250 mm、270 mm、280 mm和290 mm。曲線1、2和3中形成的第一次波峰是由載人月球車兩前輪越障對(duì)質(zhì)心高度的影響造成的，第二次波峰是由載人月球車兩后輪越障對(duì)質(zhì)心高度的影響造成的。越障后，隨時(shí)間延續(xù)質(zhì)心趨于穩(wěn)定狀態(tài)。曲線4中載人月球車質(zhì)心位置除有小幅波動(dòng)外，始終處于較低位置，仿真過程中移動(dòng)系統(tǒng)兩前輪試圖翻越障礙未成功，但對(duì)質(zhì)心位置仍有所影響，故對(duì)于越障高度290 mm，載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)在月面條件下越障未成功，但仍較好地完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。

比較圖6和圖7可知，在地面重力條件下極限越障高度明顯降低。

圖7　地面重力載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)越障仿真質(zhì)心高度變化Fig.7　Changes of COM height during the obstacle crossing simulation of the manned lunar vehicle locomotion system in earth gravity

圖8中的兩條曲線為同一越障高度，土壤相關(guān)參數(shù)一致，重力加速度不同的情況下，載人月球車質(zhì)心加速度的對(duì)比情況，地面重力條件下質(zhì)心加速度明顯大于月面重力條件下的質(zhì)心加速度值。在月面重力條件下，載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)通過250 mm越障高度時(shí)，四個(gè)車輪動(dòng)量變化如圖9所示，兩前輪變化趨勢相似，兩后輪變化趨勢相似，兩后輪變化峰值滯后于兩前輪，這與越障過程相一致，并且兩后輪越障時(shí)的動(dòng)量變化明顯大于兩前輪的動(dòng)量變化。

圖8　地月不同重力條件下移動(dòng)系統(tǒng)越障時(shí)質(zhì)心加速度變化情況Fig.8　Changes of COM acceleration of the locomotion system during obstacle crossing in lunar or earth gravity

圖9　月面重力載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)車輪動(dòng)量變化Fig.9　Changes of wheel translational momentum of the manned lunar vehicle locomotion system in lunar gravity

3地面重力條件載人月球車移動(dòng)性能試驗(yàn)研究

這里研制的載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)，外形展開尺寸與地面車輛底盤相仿，搭建低重力模擬試驗(yàn)室不易于實(shí)現(xiàn)，故可利用改變地面重力條件下移動(dòng)系統(tǒng)有效載荷的方法，與月面條件下相應(yīng)工況進(jìn)行等效，來驗(yàn)證移動(dòng)系統(tǒng)低重力環(huán)境的相關(guān)移動(dòng)性能。

利用載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)原理樣機(jī)進(jìn)行了室外模擬月壤水平移動(dòng)性能相關(guān)實(shí)驗(yàn)、轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)。在移動(dòng)性能仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了爬坡、越障等移動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)。

載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)及約束條件如下：

1) 移動(dòng)系統(tǒng)外形包絡(luò)尺寸約束 載人月球車外形包絡(luò)尺寸受三個(gè)方面限制：其一是要考慮月球車移動(dòng)系統(tǒng)各子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求的限制；其二是登月艙中載人月球車存儲(chǔ)位置的限制，其三是月地特殊的地形條件的影響。展開狀態(tài)外形尺寸：小于3100 mm×2100 mm×1200 mm。

2) 移動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量和承載能力約束 月球車自重(不含有效載荷)：200 kg；承載能力(含航天員和樣品)：500 kg；乘員數(shù)量： 2名航天員。

3) 移動(dòng)系統(tǒng)性能約束 最小轉(zhuǎn)彎半徑：不小于3 m；越障能力：可以翻越高25 cm，寬50 cm的障礙；平地上的最小離地距離：35 cm；滿載爬坡能力：不小于21°；空車穩(wěn)定性：前向和左右向40°停車不會(huì)翻倒；懸架具有折展功能。

越障能力、平地上的最小離地距離、滿載爬坡能力、滿載駐車坡度及空車穩(wěn)定性可由月面地形以及載人月球車地面通過性、越障能力、行駛穩(wěn)定性等來確定。

3.1室外模擬月壤水平移動(dòng)性能相關(guān)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前利用測力計(jì)對(duì)裝有不同載荷的木箱在沙地產(chǎn)生的水平動(dòng)摩擦力進(jìn)行測量，利用牽拉裝置連接載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)與裝有定量載荷的木箱相連接，以產(chǎn)生可控的水平拖拽力。移動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為定量，改變水平拖拽力，使載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)在水平沙地按直線行走，測量并記錄通過固定距離的時(shí)間不同拖拽力對(duì)車輪滑轉(zhuǎn)率的影響如圖10所示，隨拖拽力增加，車輪滑轉(zhuǎn)率呈現(xiàn)不斷增大的趨勢。

圖10　不同拖拽力整車移動(dòng)系統(tǒng)水平移動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)Fig.10　Ground moving performance test at different driven velocity for the manned lunar vehicle

3.2載人月球車爬坡試驗(yàn)

基于爬坡性能仿真，地面重力條件下載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能爬越不小于21°的斜坡。圖11為載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)車爬坡過程，試驗(yàn)結(jié)果表明，移動(dòng)系統(tǒng)可滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖11　載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)爬坡試驗(yàn)Fig.11　Gradeabiligy experiment of the locomotion system of the manned lunar vehicle

3.3載人月球車越障試驗(yàn)

依據(jù)仿真結(jié)果，地面重力條件下載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)可越過高25 mm、寬50 mm的障礙，越障過程如圖12所示。

圖12　載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)越障試驗(yàn)過程Fig.12　Obstacle crossing experiment of the locomotion system of the manned lunar vehicle

4結(jié)論

通過對(duì)載人月球車爬坡性能和越障性能進(jìn)行仿真分析，對(duì)不同坡角、不同障礙高度載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)心變化情況進(jìn)行分析可知：兩種重力條件下的極限越障高度相比地面重力條件下極限越障高度明顯降低。

輪地相關(guān)參數(shù)不變，僅改變重力加速度，仿真得到載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)地面重力條件下最大可爬坡角度小于月面重力條件可爬越最大坡角。

同一越障高度，土壤相關(guān)參數(shù)一致，重力加速度不同的情況下，地面重力條件下載人月球車質(zhì)心加速度明顯大于月面重力條件下的質(zhì)心加速度值。

在地面重力條件下利用室外模擬月壤進(jìn)行了平地移動(dòng)性能和通過性能試驗(yàn)，對(duì)地面重力條件下越障、縱向爬坡仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果合理，載人月球車移動(dòng)性能能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

因此，對(duì)于移動(dòng)系統(tǒng)體積、質(zhì)量等無法實(shí)現(xiàn)低重力模擬試驗(yàn)條件搭建時(shí)，可利用本文所提供的試驗(yàn)方法，進(jìn)行移動(dòng)系統(tǒng)的性能分析和驗(yàn)證，但移動(dòng)的有效載荷要進(jìn)行合理設(shè)置，以保證車輪及懸架等的動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)與低重力環(huán)境相一致。

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Simulation and Experiments Analysis of Mobility Performance in Deployable Manned Lunar Vehicle

GAO Haibo1, FAN Xuebing1, 2, DENG Zongquan1, DING Liang1, LIU Zhen1

(1.Research Center of Aerospace Mechanism and Control, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2. School of Mechanical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China)

Abstract:For effective research on mobility performance of deployable manned lunar vehicle at low gravity, the deployable locomotion system and the simulation models on mock lunar soil were built. The mobility performance was simulated and the mobility performance on lunar surface or on earth were compared. The maximum obstacle height in earth gravity decreased significantly. When other relevant parameters unchanged, the maximum gradability on earth was less than that on the lunar surface. With the same obstacle height and soil parameters and different gravities, the Center of Mass(COM) acceleration of the manned lunar vehicle on earth was significantly greater than that on the moon. On the basis of the simulation analysis, the prototype of the lunar vehicle on earth was built. Then related trafficability experiments such as gradeability and obstacle crossing etc were carried out on mock lunar soil on earth for the manned lunar vehicle ensuring that the wheels and suspensions were under the same payload. It is verified that the locomotion system of the deployable manned lunar vehicle discussed in this paper could meet the requirements of the design constraints. This provides a technical basis for the further research of the manned lunar rover

Key words:deployable manned lunar vehicle; mobility performance; simulation analysis; performance experiments

收稿日期：2015-11-16；修回日期：2016-04-12

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(50975059/61005080)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)宇航機(jī)構(gòu)及控制技術(shù)重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室開放基金課題(HIT.KLOF.2009061)；科技部-國際科技合作項(xiàng)目(2010DFR70270)；“111”創(chuàng)新引智計(jì)劃(B07018)

作者簡介：高海波(1970-)，男，博士，教授，研究方向?yàn)橛詈娇臻g機(jī)構(gòu)。E-mail：Gaohaibo@hit.edu.cn

中圖分類號(hào)：V476.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5825(2016)03-0323-05