發(fā)布時間：2022-02-15 13:06

　　21世紀以來,深空探測迅速發(fā)展,我國也預(yù)計將在2020年執(zhí)行首次火星探測任務(wù)。未來的深空探測將面對更加復(fù)雜的地形和更富挑戰(zhàn)性的探測任務(wù)。輪-步式火星車結(jié)合了輪式運動的高能效特性和步態(tài)運動的高地形適應(yīng)性,成為我國火星探測車的優(yōu)選方案。復(fù)雜的探測環(huán)境以及新的火星車結(jié)構(gòu)會帶來車輪高滑轉(zhuǎn)的工況,嚴重的高滑轉(zhuǎn)會使車輪失去牽引能力,進而造成陷車現(xiàn)象的發(fā)生,然而關(guān)于星球車輪高滑轉(zhuǎn)運動的研究相對較少。星球車高滑轉(zhuǎn)輪地力學(xué)問題是未來深空探測的瓶頸問題。試驗是研究輪地力學(xué)的有效手段。對車輪在星壤中運動的受力狀態(tài)進行分析,采用沉陷量、掛鉤牽引力、驅(qū)動力矩、牽引力系數(shù)、阻力系數(shù)等作為試驗評價指標(biāo)。運用單輪測試臺和試驗車輪進行單輪試驗,對速度效應(yīng)、載荷效應(yīng)、輪刺效應(yīng)以及滑轉(zhuǎn)率的影響進行了試驗研究,試驗發(fā)現(xiàn)車輪在高滑轉(zhuǎn)工況下會發(fā)生動態(tài)沉陷,掛鉤牽引力等評價指標(biāo)的變化規(guī)律與低滑轉(zhuǎn)下變化規(guī)律有所不同。使用三輪星球車進行整車試驗。試驗研究為后續(xù)的原理分析和模型建立提供了試驗基礎(chǔ)。從宏觀試驗現(xiàn)象出發(fā),對車輪動態(tài)沉陷過程進行分析,是提高輪地作用動態(tài)力學(xué)模型預(yù)測精度的關(guān)鍵。分析得出了高滑轉(zhuǎn)工況下車輪掛鉤牽引力會隨沉陷量的增大... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省211工程院校985工程院校

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

勇氣號車輪深度沉陷[2]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-1-第1章緒論課題來源及研究的背景和意義課題來源本課題來源于國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目，項目名稱：機器人地面力學(xué)及應(yīng)用方法（項目批準號：51822502）。課題的研究背景從1950年開始，星球探測便得到了很多國家的重視，自1997年美國的“Sojourner”號漫游車在火星成功著陸以來，全球各個國家對地外行星的探索熱情日益高漲。未來的星球探測任務(wù)將面臨更加復(fù)雜的地形，星球探測車作為星球表面探測的主要探測器，需要擁有更好的移動性能以穿越松軟地面，爬越陡峭的斜坡等。星球表面的星壤常間雜分布，硬質(zhì)地面和軟質(zhì)地面的切換很快，往往沒有明顯的過渡區(qū)域。車輪在承載能力較差的軟地中行進時沉陷深度較大，車輪打滑嚴重。如美國“機遇號”火星車在2005年陷入“Purgatory”沙丘中[1]；“勇氣號”火星車在2009年陷入“HomePlate”高原的沙土中，圖1-1中所示為勇氣號在松軟星壤中發(fā)生了高滑轉(zhuǎn)沉陷[2]。圖1-2為火星車試驗樣機在爬越斜坡時產(chǎn)生的高滑轉(zhuǎn)沉陷現(xiàn)象。圖1-1勇氣號車輪深度沉陷[2]圖1-2高滑轉(zhuǎn)導(dǎo)致的大沉陷現(xiàn)象主動懸架式星球車可以結(jié)合輪式移動的高能效特性和步行移動方式的高地形適應(yīng)能力，可以解決松軟星壤上大沉陷自主脫陷問題、大角度松軟坡面上爬坡問題，成為我國火星探測計劃的優(yōu)選方案。圖1-3為主動懸架式火星車三維結(jié)構(gòu)圖和工程樣機。火星車通過離合器進行懸架1個主搖臂和2個副搖臂關(guān)節(jié)的主被動切換，可以組合出多種運動模式：輪式行進模式、蠕動步進模式等[3]。輪式和步式運動的切換過程中，車輪需要經(jīng)歷由高滑轉(zhuǎn)率導(dǎo)致陷車的滑轉(zhuǎn)自陷狀態(tài)，或者臨界狀態(tài)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-2-右夾角調(diào)節(jié)機構(gòu)右離合器左離合器差動器左前輪左中輪左后輪右后輪右中輪右前輪搖臂前段搖臂后段左夾角調(diào)節(jié)機構(gòu)a)三維結(jié)構(gòu)圖b)工程樣機圖1-3主動懸架式火星探測車a)三維結(jié)構(gòu)圖b)工程樣機[3]新的星球車結(jié)構(gòu)以及更富挑戰(zhàn)性的探測任務(wù)帶來高滑轉(zhuǎn)、高沉陷的工況。從而會對輪-地相互作用理論提出新的要求。通常認為當(dāng)滑轉(zhuǎn)率s≥0.6時，車輪即進入了高滑轉(zhuǎn)狀態(tài)。星球車輪高滑轉(zhuǎn)沉陷為動態(tài)過程，輪地作用力是關(guān)于時間的函數(shù)，屬于地面動態(tài)力學(xué)范疇。由于車輪的高滑轉(zhuǎn)沉陷地面動力學(xué)微觀原理尚不明晰，缺乏宏觀力學(xué)模型，因而是目前輪-步式星球車研究過程中的瓶頸問題。課題的研究意義星球車高滑轉(zhuǎn)運動研究是輪地作用地面力學(xué)由準靜態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài)研究的切入點星球車輪高滑轉(zhuǎn)沉陷原理及模型的研究具有重要的科學(xué)意義和工程價值。機器人地面動力學(xué)研究在近幾年成為前沿?zé)狳c[4]，但是輪式機器人的相關(guān)研究尚不多見。輪-步式火星車在車輪高滑轉(zhuǎn)運動時，車輪沉陷量將隨車輪旋轉(zhuǎn)角度一直增大，且掛鉤牽引力也隨時間變化，是典型的地面動態(tài)力學(xué)問題。通過研究車輪的高滑轉(zhuǎn)沉陷可以認識車輪動態(tài)沉陷的力學(xué)行為，使星球車地面力學(xué)由準靜態(tài)切入動態(tài)研究。沉陷原理研究是建立輪-地相互作用力學(xué)與星壤力學(xué)特性內(nèi)在聯(lián)系的關(guān)鍵傳統(tǒng)地面力學(xué)的理論基礎(chǔ)是Bekker承壓模型和Janosi剪切模型，這兩個模型屬于半經(jīng)驗?zāi)Ｐ�。這樣的模型對于準靜態(tài)的研究是適用的，但是車輪在高滑轉(zhuǎn)工況下運作時，會對星壤的物理參數(shù)及力學(xué)特性產(chǎn)生影響，由于參數(shù)的多變性和復(fù)雜性，大大限制了半經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷膽?yīng)用前景。通過對星壤承載特性和抗剪特性的原理分析，建立基于土力學(xué)研究的星壤動態(tài)承壓和剪切模型，使模型與星壤的真實物理參數(shù)建立

【參考文獻】：
期刊論文
[1]地面力學(xué)在火星壤力學(xué)參數(shù)估計研究中的進展與展望[J]. 薛龍,黨兆龍,陳百超,李建橋,鄒猛.  宇航學(xué)報. 2020(02)
[2]車輛地面力學(xué)研究綜述[J]. 何健,馬吉勝,吳大林.  火炮發(fā)射與控制學(xué)報. 2017(02)
[3]輪面曲率半徑對沙地剛性輪沉陷性能影響研究[J]. 張銳,吉巧麗,張四華,劉芳,李建橋.  農(nóng)業(yè)機械學(xué)報. 2016(11)
[4]土力學(xué)理論的發(fā)展和面臨的挑戰(zhàn)[J]. 趙成剛,韋昌富,蔡國慶.  巖土力學(xué). 2011(12)
[5]履帶地面力學(xué)研究綜述[J]. 李軍,李強,周靖凱.  農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程. 2011(08)
[6]月球車驅(qū)動輪牽引性能研究[J]. 鄒猛,李建橋,張金換,任露泉,李因武.  宇航學(xué)報. 2009(01)
[7]月球車不等徑車輪在土壤上滾動的力學(xué)分析與實驗[J]. 陶建國,全齊全,鄧宗全,趙文德.  哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報. 2007(10)
[8]地面力學(xué)及其在行星探測研究中的應(yīng)用[J]. 孫剛,高峰,李雯.  力學(xué)進展. 2007(03)
[9]月球車車輪與土壤相互作用的力學(xué)特性分析[J]. 陶建國,王林,吳鳳久,鄧宗全.  機械設(shè)計與制造. 2006(12)
[10]土動力學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 吳世明,徐攸在.  巖土工程學(xué)報. 1998(03)

博士論文
[1]工程用模擬火星壤研制與地面力學(xué)參數(shù)就位估計研究[D]. 薛龍.吉林大學(xué) 2017
[2]月/星球車輪地作用地面力學(xué)模型及其應(yīng)用研究[D]. 丁亮.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010

碩士論文
[1]星球車輪原地運動作用力學(xué)及動態(tài)沉陷研究[D]. 楊懷廣.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2015
[2]星球車車輪縱向滑移力學(xué)研究[D]. 郭軍龍.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2013



本文編號：3626684