月球车行驶环境模拟及其车辙研究

【摘要】“玉兔号”月球车在月球表面进行巡视勘测是我国“嫦娥工程”探月二期任务的主要科学目标之一。而月面地形环境复杂，通过性较差，容易导致月球车车轮深陷其中，并且造成严重打滑。为了有效评估月球车移动性能，判断月面通过性，从而指导月球车进行路径规划，保障月球车安全行驶，本文进行了如下主要工作：构建月面地形环境以便进行月球车内场试验，从月球车行驶地面的形貌模拟整备、物理力学特性模拟整备两个方面展开研究。形貌模拟整备方面，研制基于全站仪的三维定位测量系统，进行实验场模拟月壤表面的几何参数测量，以及在模拟环境整备时根据设计指标确定模拟月坑/月岩的准确位置。物理力学特性模拟整备方面，制定了模拟月壤松软状态、自然状态、紧实状态的整备工艺流程，使用SC-900土壤硬度计检测整备后模拟月壤的硬度分布，从而对地形整备结果进行简化评估。设计了一种面向松软土壤的分段式原状取土器，可以一次性获得3个不同深度的土壤试样，取土层深度分别位于0~50mm、50~100mm、100~150mm，与传统环刀法测定松软模拟月壤容重进行对比，分段式原状取土器可以有效保证月壤的层理结构，并能提高取土效率2~3倍，适用于检测模拟月壤整备后的容重分布。为了快速准确地获得土槽试验中松散月面上车辙表面原始数据，设计了带有二维移动框架的激光扫描系统，该装置的最大扫描面积是650mm×400mm，测距范围为0.05~65m，扫描分辨率为0.1mm。在此基础上设计出带有一维移动框架的激光扫描系统，以满足月球车内场试验中快速测量车辙表面形貌的要求。对土槽试验与月球车内场试验中的车辙表面进行线扫描和面扫描，试验结果表明所设计的激光扫描系统能够使用非接触测量方法在不扰动车辙的条件下获得车辙表面形貌的数字信息。根据等效载荷原理，研制出轻载荷月壤-车轮土槽试验装置，用于模拟月球车筛网轮与月壤间的轮壤作用情况，搭配车辙激光扫描系统，可同时实现对筛网轮车辙表面数据信息的获取。进行低滑转率条件下筛网轮沉陷特性二元二次回归正交组合设计试验，得出三种模拟月壤状态下筛网轮沉陷值关于载荷和速度的回归方程：(1)松软状态，y=7.275-0.189×1+0.131×2-0.003x1x2+0.008×12；（2）自然状态，y=4.507+0.189×1；（3）紧实状态，y=3.566+0.115×1。回归方程表明：当模拟月壤整备成松软状态时，载荷和车轮速度对车轮沉陷均有影响；模拟月壤整备成自然状态和紧实状态时，车轮沉陷与载荷呈线性递增关系，与速度因数无关；随着月壤整备状态的变软，车轮速度对车轮沉陷的影响作用增强。进行变滑转率条件下筛网轮沉陷试验，试验结果表明模拟月壤在紧实、自然、松软三种状态下，筛网轮的沉陷值随着滑转率的增加而增加，筛网轮的车辙表面高度值随着滑转率的增加而减小，且当模拟月壤整备状态由紧实变化到松软时，筛网轮的沉陷和车辙表面高度均逐渐变大。筛网轮车辙面扫描分析表明，随着滑转率的增大，车辙表面最大沉陷值先增加后减小，车辙表面最大反沉陷值增加，车轮对月壤的剪切作用增强，车辙表面的完整性逐渐被破坏。上述研究为通过筛网轮车辙判断月球车车轮实际沉陷、月壤物理力学性质提供了基础数据。使用有限元软件ABAQUS建立月壤模型并划分网格，生成INP文件，在INP文件中编写月壤的物理力学参数以及相关转译代码，利用ABAQUS与ADAMS之间的接口命令生成MNF格式月壤模态中性文件。将月壤模态中性文件导入ADAMS软件生成月壤柔性体，实现了刚性车轮与月壤柔性体相互作用的刚柔耦合动力学仿真。进行筛网轮沉陷特性仿真与土槽试验验证。为进一步研究月球车整车沉陷特性提供了研究方法。
【作者】王洋；
【导师】李建桥；
【作者基本信息】吉林大学，仿生科学与工程，2014，硕士
【关键词】月面；车辙；筛网轮；刚柔耦合；月球车；模拟月壤；

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