本文關(guān)鍵詞： 模擬火星壤 模擬月壤 剪切特性 承壓特性 地面力學(xué) 參數(shù)識(shí)別　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨我國(guó)深空探測(cè)的逐步推進(jìn),繼人造衛(wèi)星、載人航天和探月工程之后,適時(shí)開(kāi)展以火星勘探為主的深空探測(cè)計(jì)劃是中國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展和航天遠(yuǎn)景規(guī)劃的必然選擇。目前,國(guó)內(nèi)科研人員已對(duì)模擬月壤的研制、模擬月壤與月球車(chē)車(chē)輪的輪壤關(guān)系進(jìn)行了大量的研究,但火星巡視探測(cè)器在火星表面通過(guò)性的研究卻還沒(méi)有完全展開(kāi)。在行星探測(cè)過(guò)程中,輪式巡視探測(cè)器具有很多優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及在未知環(huán)境中具有較好的移動(dòng)性能。并且輪式巡視探測(cè)器可以拓展宇航員的活動(dòng)范圍和工作效率,但是輪式巡視器在復(fù)雜的地外行星表面行駛時(shí),有可能陷入地表松軟的星壤而無(wú)法行駛。因此,在行星探測(cè)計(jì)劃中,必須對(duì)所探測(cè)行星的地表星壤進(jìn)行深入的研究。只有充分了解星壤的物理力學(xué)特性,才能提高巡視探測(cè)器的移動(dòng)性能,例如評(píng)估掛鉤牽引力和車(chē)輪扭矩的大小。同時(shí),了解星壤的特性也有助于提高著陸器安全著陸,提高巡視探測(cè)器的可通過(guò)性,提高我們對(duì)行星地表組成的認(rèn)知。但是截至目前,人類還沒(méi)有從火星取得火星壤或火星巖返回地球,無(wú)法像月壤一樣應(yīng)用地面先進(jìn)的科學(xué)儀器對(duì)火星壤進(jìn)行更為細(xì)致的科學(xué)分析。因此,對(duì)火星壤的特性研究?jī)H能通過(guò)在軌衛(wèi)星和火星巡視探測(cè)器的就位分析獲取,例如海盜號(hào)探測(cè)器、索杰納巡視探測(cè)器、勇氣號(hào)巡視探測(cè)器、機(jī)遇號(hào)巡視探測(cè)器和好奇號(hào)巡視探測(cè)器。所有的這些巡視探測(cè)器都攜帶了成像系統(tǒng),可以拍攝火星未經(jīng)擾動(dòng)的地表和經(jīng)過(guò)擾動(dòng)后火星壤。本文根據(jù)已經(jīng)成功登陸火星的巡視探測(cè)器并進(jìn)行火星壤就位分析的數(shù)據(jù)入手,并結(jié)合國(guó)際上已經(jīng)使用的各種模擬火星壤的原料選擇、粒徑分布及力學(xué)特性,設(shè)計(jì)一種用于巡視探測(cè)器地面試驗(yàn)的工程用的模擬火星壤,并測(cè)試其物理力學(xué)特性;基于經(jīng)典地面力學(xué)理論,結(jié)合最小二乘支持向量機(jī)方法對(duì)星壤的剪切力學(xué)參數(shù)反演,采用遺傳算法對(duì)星壤承壓力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演,并用偏最小二乘判別方法對(duì)星壤的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。通過(guò)反演和估計(jì)的星壤力學(xué)參數(shù),可為巡視探測(cè)器的通過(guò)安全性、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和路徑規(guī)劃提供參考。主要的研究?jī)?nèi)容如下:(1)本文統(tǒng)計(jì)了火星表面火星壤的物理力學(xué)特性,包括地表特征、地表沉積物的顆粒形狀、火星壤的剪切特性和化學(xué)組成。由于沒(méi)有專用的儀器直接測(cè)量火星壤的物理特性,因此應(yīng)用巡視探測(cè)器采樣鏟和車(chē)輪作為測(cè)量工具評(píng)估火星表層或次表層(不超過(guò)30cm)的火星壤特性。然而,即使在相似的火星表面,這些方法所獲得的數(shù)據(jù)依然具有很大的波動(dòng)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì),火星壤的內(nèi)聚力約為0-4kpa,內(nèi)摩擦角為30-40°,容重1.0-1.6g/cm3,顆粒密度約為2.65-3.0g/cm3。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)巡視探測(cè)器地面試驗(yàn)的具體工程需求,為jlumars模擬火星壤的研制提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。(2)針對(duì)不同的需要和目的,目前世界各國(guó)研制出了多種模擬火星壤,其中主要的研制國(guó)家是美國(guó)和歐洲航天局等。由于人類沒(méi)有獲得火星壤,因此沒(méi)有可供參考的火星壤粒徑分布曲線范圍。通過(guò)對(duì)各國(guó)研制的模擬火星壤的原料來(lái)源、粒徑分布、光譜特征和力學(xué)特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,為jlumars模擬火星壤研制的原料來(lái)源和粒徑分布提供參考依據(jù)。(3)工程用jlumars模擬火星壤研制研究。縱觀世界范圍內(nèi),各種模擬火星壤的原料幾乎都選擇火山巖,因此,以我國(guó)大陸資源為主要依托,針對(duì)國(guó)內(nèi)具有開(kāi)采規(guī)模的火山灰生產(chǎn)場(chǎng)地進(jìn)行考察調(diào)研選擇不同類型的火山巖或火山灰作為jlumars模擬火星壤的原料來(lái)源。通過(guò)與火星壤的化學(xué)組成分析、光譜特性分析、容重以及火星表面兩處不同目標(biāo)地點(diǎn)的粒徑尺寸的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)分析,確定jlumars模擬火星壤的原料來(lái)源和粒徑分布設(shè)計(jì)。對(duì)比分析了火星壤和jlumars模擬火星壤的顆粒形態(tài),結(jié)果表明其顆粒形態(tài)均為長(zhǎng)條形,部分顆粒具有倒鉤結(jié)構(gòu)。測(cè)試jlumars模擬火星壤的物理力學(xué)參數(shù),內(nèi)聚力范圍0-1.4kpa,內(nèi)摩擦角范圍37-52°,容重0.96-1.41g/cm3。(4)提出了一種用于在線預(yù)測(cè)星壤剪切力學(xué)參數(shù)的方法。該方法可用于在軌輪式巡視探測(cè)器通過(guò)松軟路面時(shí),實(shí)時(shí)估計(jì)與其相接觸的星壤的剪切力學(xué)參數(shù)。通過(guò)半經(jīng)驗(yàn)的經(jīng)典地面動(dòng)力學(xué)模型建立建模數(shù)據(jù)矩陣,應(yīng)用最小二乘支持向量機(jī)(leastsquaressupportvectormachine,ls-svm)建立多元輸出矩陣,用以評(píng)估星壤的剪切力學(xué)參數(shù)。該方法可使巡視探測(cè)器在通過(guò)星壤表面的同時(shí),對(duì)星壤的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和剪切變形模量進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)簡(jiǎn)化的半經(jīng)驗(yàn)經(jīng)典地面動(dòng)力學(xué)模型,該方法可以再不需要提供車(chē)輪沉陷的前提下對(duì)星壤剪切力學(xué)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。應(yīng)用輕載輪壤系統(tǒng)進(jìn)行土槽試驗(yàn),采集車(chē)輪沉陷、掛鉤牽引力和車(chē)輪扭矩,車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率為0.2,0.3,0.4,0.5和0.6,輪上載荷分別為30n和50n。另一組試驗(yàn)為輪上載荷為50 N,滑轉(zhuǎn)率連續(xù)變化,變化范圍為0.2-0.6。試驗(yàn)結(jié)果表明,應(yīng)用滑轉(zhuǎn)率、輪上載荷和車(chē)輪扭矩,結(jié)合LS-SVM多目標(biāo)輸出,可以較為準(zhǔn)確的估計(jì)星壤的剪切力學(xué)參數(shù)。試驗(yàn)測(cè)得掛鉤牽引力和估計(jì)的掛鉤牽引力的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差分別為0.9107和1.8856 N。(5)提出應(yīng)用遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)并結(jié)合經(jīng)典地面力學(xué)理論,對(duì)星壤的承壓力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演。以巡視探測(cè)器輪上載荷、車(chē)輪扭矩和滑轉(zhuǎn)率等為輸入變量,通過(guò)GA對(duì)星壤的組合變形模量和滑轉(zhuǎn)沉陷指數(shù)系數(shù)進(jìn)行反演。然后應(yīng)用反演的承壓力學(xué)參數(shù),結(jié)合修正的Bekker承壓模型對(duì)車(chē)輪沉陷進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。當(dāng)鑄鋁篩網(wǎng)輪在JLU-2模擬月壤上行駛時(shí),反演的承壓力學(xué)參數(shù)為[sk,1n,2n]=[1017.341,1.112,0.649],車(chē)輪沉陷的預(yù)測(cè)值和測(cè)量值的相關(guān)系數(shù)為0.9660;當(dāng)鑄鋁輪在JLU Mars 2模擬火星壤上行駛時(shí),反演的承壓力學(xué)參數(shù)為[sk,1n,2n]分別為[1929.586,1.038,0.861],車(chē)輪沉陷的預(yù)測(cè)值和測(cè)量值的相關(guān)系數(shù)為0.9649。(6)為評(píng)估在軌巡視探測(cè)器周邊環(huán)境星壤力學(xué)性能,以巡視探測(cè)器車(chē)轍信息、輪上載荷和滑轉(zhuǎn)率作為基本參數(shù),提出了16個(gè)二元及三元標(biāo)識(shí)量,結(jié)合偏最小二乘判別方法(Partial Least Squares Discriminant Analysis,PLS_DA)建立評(píng)估星壤力學(xué)狀態(tài)模型。為評(píng)估月壤的力學(xué)狀態(tài),以非參數(shù)化的緊實(shí)度對(duì)模擬月壤力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí),分別以松軟狀態(tài)、自然狀態(tài)和緊實(shí)狀態(tài)三種模擬月壤力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行劃分。應(yīng)用輕載篩網(wǎng)輪-土槽系統(tǒng)采集共247組試驗(yàn)數(shù)據(jù),每種模擬月壤狀態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照2:1比例隨機(jī)劃分為校正集樣本和預(yù)測(cè)集樣本,最終校正集和預(yù)測(cè)集樣本個(gè)數(shù)分別為166和81個(gè)�？紤]到原始數(shù)據(jù)值相差大和所提出部分標(biāo)識(shí)量包含冗余信息的特點(diǎn),因此在建立PLSDA模型時(shí),應(yīng)用均值中心化(mean center)預(yù)處理方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,并優(yōu)選10個(gè)標(biāo)識(shí)量建立識(shí)別月壤力學(xué)狀態(tài)的PLSDA模型,對(duì)應(yīng)的校正集的準(zhǔn)確率和預(yù)測(cè)集的準(zhǔn)確率分別為90.96%和90.12%。結(jié)果表明,應(yīng)用PLSDA方法并結(jié)合巡視探測(cè)器的車(chē)轍信息、輪上載荷和滑轉(zhuǎn)率以及優(yōu)選標(biāo)識(shí)量所建立的評(píng)估月壤力學(xué)狀態(tài)判別模型,其計(jì)算快速準(zhǔn)確,可用于巡視探測(cè)器在軌評(píng)估車(chē)輪前方月壤的力學(xué)特性和通過(guò)性能評(píng)估,為進(jìn)一步動(dòng)作指令的決策提供參考數(shù)據(jù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P185.3

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 周進(jìn);張偉;楊曉楠;;基于大爆炸優(yōu)化算法的結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別[J];江西科學(xué);2010年02期

2 常建梅,馮懷平,馮文杰;多項(xiàng)式展開(kāi)參數(shù)識(shí)別[J];振動(dòng)與沖擊;2004年03期

3 湯德滿;結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的逆問(wèn)題—參數(shù)識(shí)別技術(shù)[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);1980年02期

4 張耀榮，金培玉，，馬綠洲;動(dòng)不平衡量的參數(shù)識(shí)別法及程序設(shè)計(jì)[J];機(jī)械設(shè)計(jì)與研究;1994年03期

5 金明凡;金光哲;金英成;;梁結(jié)構(gòu)物理參數(shù)識(shí)別的譜單元方法[J];力學(xué)與實(shí)踐;2009年04期

6 寧新寶,吳新元;電路系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別問(wèn)題及其數(shù)值處理[J];南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1996年04期

7 馬忠軍;封江娟;;獨(dú)立混沌驅(qū)動(dòng)法識(shí)別網(wǎng)絡(luò)耦合參數(shù)[J];合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2011年05期

8 趙威;;地震工程中的結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別[J];世界地震工程;1989年01期

9 李國(guó)強(qiáng),陸燁;彎曲型結(jié)構(gòu)層間物理參數(shù)識(shí)別的子結(jié)構(gòu)法[J];世界地震工程;2000年01期

10 劉文光,李大華;線性結(jié)構(gòu)物理參數(shù)識(shí)別[J];華南建設(shè)學(xué)院西院學(xué)報(bào);1995年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前8條

1 鄭小平;姚振漢;;道路系統(tǒng)的物理參數(shù)識(shí)別[A];第七屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第Ⅰ卷）[C];1998年

2 張君華;張偉;;基于參數(shù)識(shí)別下一類具有不同參數(shù)激勵(lì)系統(tǒng)間的同步[A];中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)'2005論文摘要集（下）[C];2005年

3 韓大建;陳太聰;;節(jié)段施工過(guò)程中基于隨機(jī)分析的參數(shù)識(shí)別新方法[A];第十二屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集第Ⅲ冊(cè)[C];2003年

4 曲杰;;宏微觀耦合本構(gòu)模型參數(shù)識(shí)別面臨的困境[A];塑性力學(xué)新進(jìn)展——2011年全國(guó)塑性力學(xué)會(huì)議論文集[C];2011年

5 曲杰;張艷姝;金泉林;;熱塑性本構(gòu)關(guān)系的材料參數(shù)識(shí)別理論與算法[A];2004年中國(guó)材料研討會(huì)論文摘要集[C];2004年

6 張根輩;臧朝平;;非線性系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別的振動(dòng)測(cè)試新方法[A];第十三屆全國(guó)非線性振動(dòng)暨第十屆全國(guó)非線性動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性學(xué)術(shù)會(huì)議摘要集[C];2011年

7 孫清;張陵;張愛(ài)社;伍曉紅;;基于擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)物理參數(shù)識(shí)別[A];第十屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集第Ⅲ卷[C];2001年

8 王勇;鄒超英;嚴(yán)佳川;;模擬退火算法在徐變參數(shù)識(shí)別中的應(yīng)用[A];第六屆全國(guó)土木工程研究生學(xué)術(shù)論壇論文集[C];2008年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前6條

1 鄭敏毅;基于車(chē)輛模態(tài)特性分析的物理參數(shù)識(shí)別研究及其應(yīng)用[D];湖南大學(xué);2016年

2 薛龍;工程用模擬火星壤研制與地面力學(xué)參數(shù)就位估計(jì)研究[D];吉林大學(xué);2017年

3 王建平;復(fù)雜環(huán)境模型參數(shù)識(shí)別的軟計(jì)算技術(shù)及其應(yīng)用研究[D];清華大學(xué);2005年

4 王建有;測(cè)試信息不完備下結(jié)構(gòu)物理參數(shù)識(shí)別方法研究[D];大連理工大學(xué);2006年

5 劉錫軍;結(jié)構(gòu)損傷綜合診斷理論與試驗(yàn)研究[D];中南大學(xué);2006年

6 霍兵勇;鋼筋混凝土受彎構(gòu)件動(dòng)力參數(shù)識(shí)別和損傷診斷研究[D];湖南大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 梅曉磊;汽車(chē)人椅系統(tǒng)低頻多向振動(dòng)試驗(yàn)與參數(shù)識(shí)別[D];重慶大學(xué);2015年

2 胡昊容;基于子空間辨識(shí)方法的系統(tǒng)物理參數(shù)識(shí)別[D];東南大學(xué);2016年

3 王語(yǔ)嫣;短索振動(dòng)特性及參數(shù)識(shí)別研究[D];西南交通大學(xué);2017年

4 杜春玲;基于逆分析方法的結(jié)構(gòu)物理參數(shù)識(shí)別[D];北京工業(yè)大學(xué);2003年

5 姚軍;基于時(shí)間序列分析方法的建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別[D];武漢理工大學(xué);2010年

6 史良;結(jié)構(gòu)物理參數(shù)識(shí)別技術(shù)及在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中的應(yīng)用[D];同濟(jì)大學(xué);2006年

7 徐慶華;汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)慣性參數(shù)識(shí)別的試驗(yàn)研究[D];華南理工大學(xué);2011年

8 盧平;時(shí)域結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別及其網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)[D];湖南大學(xué);2008年

9 侯揚(yáng)毅;基于區(qū)間分析理論的機(jī)電系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別[D];北京交通大學(xué);2008年

10 吳曉強(qiáng);不確定時(shí)滯混沌系統(tǒng)的反同步與參數(shù)識(shí)別研究[D];東北師范大學(xué);2012年

本文編號(hào)：1553392