月球探测车在月表松软土壤上的动力学比较复杂,为保证探测车的安全运行,需采用协调驱动控制策略。本文根据探测车在松软土壤上行驶的动力学特性,研究了基于车轮滑转率的协调驱动控制问题。针对普通变结构控制中存在问题,采用模糊逻辑思想,提出了模糊趋近律控制方法。将该方法用于月球探测车的协调驱动控制仿真中,获得了良好的性能。

月壤力学特性参数的研究可以使人们了解更多的星球地质学信息,也是进行月球探测车等设备开发以及未来从事人类月球活动的工程基础。利用月球车轮地作用测试平台和模拟月壤对6种不同尺寸和轮刺的车轮进行试验,利用传统压板试验和剪切试验测量土壤力学参数。针对月球车轮地作用地面力学积分模型进行耦合度和参数敏感度分析,进而将8个力学参数分为3组,即接触角系数、承压特性参数和剪切特性参数。提出一种循环迭代的参数辨识方法,利用相关度最大的挂钩牵引力、沉陷量和前进阻力矩分别对3组参数依次进行辨识。采用试验数据进行验证,结果表明,此方法可以高精度地辨识土壤的3个剪切参数,组合沉陷模量可以设定为一典型值,接触角系数和沉陷指数系数与车轮相关,反映了车轮的轮刺效应和尺寸效应。该方法避免了简化模型带来的参数辨识误差,实现了对于月壤参数的全面辨识,既可以估计月壤特性,还可以提高轮地作用力学模型的预测精度。

月球车爬坡地面力学模型在月球车的设计、越障性能评价、控制和仿真等方面具有极其重要作用.利用月球车轮地相互作用测试系统进行车轮爬坡性能实验,结合实验数据在传统车轮—土壤相互作用应力分布模型之上推导出爬坡轮—地相互作用模型,同时考虑爬坡角度对浅层月壤应力分布的影响,提出了随滑转率变化的沉陷因数经验公式,来反映月壤压实、刮带、侧向流动等引起的滑转沉陷.通过对应力分布公式进行积分转化得到集中力/力矩计算模型,利用ADAMS二次开发的柔性爬坡仿真环境并结合实验数据进行模型验证.在斜坡角度为16?,载荷为100 N,当滑转率从0增加到0.6时,将模型的车轮斜坡法向载荷、挂钩牵引力和驱动力矩的计算值与实验数据相对比,结果相对误差不超过10%,因而该爬坡模型可以有效地用于月球车轮地相互作用的力学计算.

轮地相互作用地面力学在月球车的设计、性能评价、控制和仿真等方面具有重要作用,是目前基于动力学进行月球车相关研究的瓶颈。基于此,利用针对月球车开发的车轮—土壤相互作用测试系统进行试验,结合试验数据对传统车辆轮地相互作用正应力和切应力分布模型进行修正,并分析月球车轮刺高度对应力分布的影响,从而提出随滑转率变化改变沉陷指数的经验公式,以反映土壤侧向流动等引起的滑转沉陷。对应力分布公式积分得到集中力/力矩计算模型,并结合试验数据进行验证。在载荷为80N,滑转率从0.05增加到0.6时,模型对于车轮垂直载荷、挂钩牵引力和驱动力矩的计算值与试验数据相比,相对误差不超过10%。模型能够反映滑转沉陷和轮刺效应,可以有效地用于月球车轮地相互作用力学的计算。

对六轮摇臂式月球车的运动协调控制进行了研究。采用轮式行星车的地形检测技术,根据测试数据和刚体运动学理论估算月球车各车轮的轮地夹角,获得实际的地形特征。用仿真验证了其有效性。另提出了基于地形特征控制车轮滑转率的月球车运动协调控制规则。定义了协调控制算法的启用、运行和结束准则。规定仅对满足一定条件的崎岖地形才作协调控制,忽略微小的地形起伏,以减少控制系统负担。

应用车辆地面力学理论研究滑转率对月球车车轮挂钩牵引力、驱动效率以及功率消耗的影响。建立刚性车轮与松软月壤交互作用的动力学模型。通过实例对月球车车轮驱动动力学特性进行仿真分析。研究结果表明,车轮的挂钩牵引力、驱动效率以及驱动能耗均受到车轮滑转率的制约。存在一个最优的滑转率区间,在此区间内车轮可获得较大的挂钩牵引力、较高的驱动效率以及较低的驱动能耗。求取轮、地相对速度,对月球车车轮的地面摩擦力功率进行了估算。

基于车轮滑转率和车轮地面力学,研究了月球车在松软月面行驶时的车轮过度下陷问题.将月球车车轮下陷和车轮—土壤作用力表达为车轮滑转率的函数,结合车辆地面力学理论并考虑纵列式车轮多通过性土壤参数的修正,建立了月球车的动力学模型.判断车轮是否发生过度下陷的标准为土壤所提供给驱动轮的土壤推力能否克服土壤对车轮的阻力.利用建立的动力学模型,计算出能够保证车轮不会过度下陷的期望滑转率.考虑到月球车动力学系统的非线性和不确定性,设计了以车轮滑转率为状态变量的滑模驱动控制器.仿真结果表明,采用该控制器可以较快地跟踪期望滑转率,避免车轮的过度滑转下陷,保证月球车能够在软质路面上正常行驶.