试议越障主动摆臂四轮菱形月球车移动系统动力学建模和移动性能网

摘要：月球车是实现月面巡视探测的关键运载工具,必须具有扩展科学探测范围以及携带有效载荷的功能。月球表面地形复杂,环境恶劣,加上属于远程无人驾驶移动平台,由此高移动性能是月球车移动系统的核心技术。本论文探讨了主动摆臂四轮菱形月球车移动系统(FWRA),对其移动性能进行了详细浅析。具体如下：(1)对FWRA的结构特点和设计思路进行了浅析,并研制了其物理样机。为了增强月球车的越障性能和转向性能,该移动系统采取了主被动摆臂机构和偏置转向机构。主被动摆臂机构具有很强的被动路面适应性和主动调整功能,与偏置转向机构结合,可以大大提升月球车的移动性能。(2)提出了移动系统越障性能的量化浅析策略。该策略主要是根据移动系统在越障历程中需要的附着系数的大小来判断其越障性能的好坏。利用该策略,建立了FWRA移动系统越障历程的力学方程,利用该方程浅析了FWRA移动系统的越障性能。考虑到主动摆臂的自我调节功能,将各摆臂摆角对FWRA移动系统越障性能的影响进行了浅析。将移动系统转向时最小干涉范围作为判断月球车移动系统转向性能的判断准则,利用该准则探讨了转向机构对FWRA移动系统转向性能的影响。利用移动系统越障性能和转向性能的判断准则,将FWRA移动系统与主副摇臂六轮月球车移动系统在越野性和转向机动性能等方面进行了比较,结果表明FWRA移动系统具有很好的移动性能。(3)提出了新的刚性车轮在松软路面行驶的动力学建模策略。该策略对车轮进行了离散化处理,并基于沉陷论述和剪切论述计算轮壤接触表面的应力分布,以而可以预测车轮的挂钩牵引力以及转矩。利用该策略建立了光滑刚性轮和有齿刚性轮在松软路面行驶的动力学模型,并将该模型整合到整车动力学模型中,对刚性轮在松软地面行驶时的挂钩牵引力和驱动力矩进行了仿真计算。将仿真结果与试验结果进行比较,结果表明本论文提出的轮壤接触算法可以很好的模拟刚性轮与松软路面接触时的力学状态,以而证明该轮壤动力学模型具有较高的可信度。(4)利用新的轮壤建模策略,将车轮与松软路面作用的子模型整合到主副摇臂六轮月球车移动系统动力学模型中,建立了主副摇臂六轮月球车移动系统在松软路面行驶的动力学模型。通过仿真,对车轮表面的应力分布以及电机转矩进行了浅析。为验证模型的正确性,开发了信号处理模块和整车试验平台,并对主副摇臂六轮月球车移动系统在松软沙地进行了试验探讨。将仿真和试验中的车耗以及滑移率进行了比较,结果表明该模型具有很好的可信性,可以利用此轮壤接触策略建立多轮多轴移动系统在松软路面行驶的动力学模型。(5)根据本论文提出的轮壤接触算法建立了FWRA移动系统在月壤表面行驶的动力学模型。利用该模型对FWRA移动系统在月面环境下的越障性能进行了预估,并探讨了主动摆臂对FWRA移动系统越障性能的影响,结果表明摆臂机构对提升FWRA移动系统在月表环境下的越障能力具有重要作用。另外,利用该模型对FWRA移动系统的爬坡历程和爬坡性能进行了仿真浅析。以对FWRA移动系统越障和爬坡性能的浅析可以看出,该模型可以很好的预测FWRA移动系统在月面行驶时的移动性能。关键词：月球车移动系统论文轮壤接触模型论文整车动力学模型论文试验论文越障性能论文量化指标论文

摘要5-7

ABSTRACT7-12

第1章 绪论12-25

1.1 月球车的探讨背景12-13

1.2 月球车移动系统探讨近况13-20

1.2.1 国外月球车移动系统14-18

1.2.2 国内月球车移动系统18-20

1.3 月球车移动系统结构特点浅析20

1.4 月球车移动系统移动性能浅析20-21

1.5 轮壤相互作用仿真探讨近况21-24

1.5.1 月壤模型的探讨22

1.5.2 轮壤相互作用探讨22-24

1.6 论文各章节的内容概括24-25

第2章 FWRA移动系统结构浅析25-32

2.1 设计思路25-26

2.2 移动系统结构26-31

2.2.1 主被动车架26-27

2.2.2 主动摆臂机构27-28

2.2.3 转向机构28-30

2.2.4 车轮机构30-31

2.3 本章小结31-32

第3章 FWRA移动系统运动学建模32-44

3.1 FWRA移动系统基本建模论述32-36

3.1.1 平面刚体位移矩阵32-34

3.1.2 平面刚体速度矩阵34-35

3.1.3 平面刚体加速度矩阵35-36

3.2 FWRA移动系统运动学建模36-42

3.2.1 几何联系初始化36-39

3.2.2 月球车移动系统运动学模型39-42

3.3 本章小结42-44

第4章 FWRA移动系统性能浅析与比较44-70

4.1 FWRA移动系统性能44-59

4.1.1 路面自适应性浅析44-45

4.1.2 越障能力浅析45-55

4.1.3 转向性能浅析55-59

4.2 性能比较59-68

4.2.1 功耗比较60-64

4.2.2 越障性能比较64-66

4.2.3 转向性能比较66-68

4.3 本章小结68-70

第5章 月球车沙地行驶动力学建模与仿真70-93

5.1 轮壤相互作用模型70-78

5.1.1 轮壤相互作用基本论述70-73

5.1.2 光滑表面刚性轮与松软干沙接触模型73-76

5.1.3 有齿刚性轮与松软干沙接触模型76-78

5.2 模型验证78-82

5.2.1 光滑刚性轮-松软干沙模型验证79-80

5.2.2 有齿刚性轮-松软干沙模型验证80-82

5.3 移动系统模型的建立与验证82-92

5.3.1 干沙参数测量82-86

5.3.2 整车试验平台86-87

5.3.3 动力学建模及仿真87-92

5.4 本章小结92-93

第6章 FWRA移动系统动力学建模及仿真探讨93-112

6.1 整车动力学建模93-98

6.1.1 多刚体动力学建模论述93-94

6.1.2 多刚体动力学方程的数值浅析策略94-96

6.1.3 动力学模型96-97

6.1.4 车轮与障碍接触算法97-98

6.2 FWRA移动系统月面移动性能浅析98-110

6.2.1 整车仿真环境与工况98-99

6.2.2 FWRA移动系统月面越障性能浅析99-106

6.2.3 FWRA移动系统爬坡性能浅析106-110

6.3 小结110-112

总结与展望112-115

一、论文总结112-113

二、论文的主要革新点113

三、探讨展望113-115