可折展載人月球車移動性能仿真與試驗分析

高海波，范雪兵,2，鄧宗全，丁　亮，劉　振

(1. 哈爾濱工業大學 宇航空間機構及控制研究中心，哈爾濱 150001；2. 東北電力大學 機械工程學院，吉林 132012)

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可折展載人月球車移動性能仿真與試驗分析

高海波1，范雪兵1,2，鄧宗全1，丁亮1，劉振1

(1. 哈爾濱工業大學 宇航空間機構及控制研究中心，哈爾濱 150001；2. 東北電力大學 機械工程學院，吉林 132012)

摘要:為更加有效地研究載人月球車移動系統低重力環境下的移動性能，建立了載人月球車仿真模型，并對地月兩種不同重力環境下的移動性能進行了仿真對比分析，在地面重力條件下極限越障高度明顯降低。輪地相關參數不變，僅改變重力加速度，仿真得到載人月球車移動系統地面重力下最大可爬坡角度小于月面重力下可爬越最大坡角。同一越障高度，土壤相關參數一致，重力加速度不同的情況下，地面重力條件下移動系統質心加速度明顯大于月面重力條件下的質心加速度值。在移動性能仿真分析基礎上，對可折展載人月球車移動系統地面原理樣機進行了搭建，在保證地月不同重力環境下車輪及懸架承受的有效載荷一致的前提下，在地面重力條件下，利用實驗室松散沙土模擬月壤進行了越障和爬坡等通過性能試驗，驗證了所設計的移動系統滿足設計約束要求，為后續載人移動系統的深入設計奠定了基礎。

關鍵詞:可折展載人月球車；移動性能；仿真分析；性能試驗

1引言

隨著無人探月工程的深入及載人探月工程的逐步啟動，載人月球車作為航天員登陸月球有效完成探測任務的主要媒介和工具，其相關理論、研制以及相關試驗研究已十分必要[1-4]。載人月球車需要由著陸位置克服各種障礙到達探測地點，完成相關探測任務。月表地形復雜，石塊、環形坑和斜坡等形態尺寸各異的未知地形廣泛分布，對載人月球車的移動性能提出了挑戰[5-6]。

載人月球車除滿足適應月面非結構化環境、功耗低、驅動力大等無人月球車的要求外，還要滿足大載荷、具有較高的時速及航天員乘坐舒適性等多方面要求，與無人車在設計理論及方法上存在較大差異。為了更加有效地對載人月球車原理樣機的移動性能進行分析，首先搭建載人月球車移動系統，然后建立模擬月壤上載人月球車仿真模型[7-10]，對其移動性能進行仿真分析，并對不同重力條件下的性能進行對比分析。在移動性能仿真基礎上，在地面重力條件下，利用實驗室松散沙土模擬月壤進行平地、轉向、越障和爬坡等通過性能試驗，為后續設計奠定基礎。

本文所研究的載人月球車移動系統具有可折展的功能，以減小儲運過程中所占用的包絡空間。折展過程如圖1(a)所示，整備和折疊狀態分別如(b)和(c)所示。

圖1　載人月球車移動系統折展功能實現Fig.1　Deployment of the manned lunar vehicle locomotion system

2載人月球車移動性能仿真分析

載人月球車移動系統仿真模型的建立主要是為了探討載人月球車虛擬環境仿真參數的合理設置問題[11]，以解決月表地形環境的描述以及虛擬環境中月表地形的合理建模，從而使仿真結果能夠真實地反映載人月球車的移動性能。

2.1仿真相關參數設置

月表地形主要分為三類：一是連續分布地形，在一定范圍內保持地貌特征的一致性，如平坦的月海地形和連續的山脈等；二是離散分布地形，在一定范圍內保持地貌特征變化多樣，由坡道、巖石和沖擊坑等地形組合而成；三是隨機分布地形，無規律可循。月表探測區域內的地形主要通過衛星航拍來確定，著陸時往往選擇月表相對較平坦的區域作為載人月球車的著陸位置[11]。故在針對載人月球車原理樣機移動性能仿真分析時，僅針對前兩種典型的結構化地形進行分析。

載人月球車移動性能仿真主要包括爬坡性能和越障性能仿真及分析。在不改變土壤參數的前提下，在地月不同重力加速度條件下，分別進行載人月球車移動系統爬坡性能和越障性能仿真，并對質心高度等進行比較，為地面重力條件原理樣機的移動性能試驗提供參考[12-15]。

2.2爬坡性能仿真

月面環境下載人月球車移動系統爬坡仿真過程[16-17]如圖2所示。載人月球車車輪滑轉率[8,13]如圖3所示，在移動系統爬坡過程中，滑轉率呈不斷上升趨勢，兩前輪滑轉率變化基本保持一致，兩后輪滑轉率變化基本保持一致，兩前輪與兩后輪滑轉率的差異出現在爬坡階段，且兩后輪的滑轉率要低于兩前輪，在載人月球車成功爬上斜坡后，四個車輪滑轉率變化又呈現一致上升的趨勢。

圖2　載人月球車移動系統爬坡仿真過程Fig.2　Simulation of slope climbing of the manned lunar vehicle locomotion syste

圖3　載人月球車移動系統爬坡車輪滑轉率Fig.3　Slip ratio of wheels for slope climbing of the manned lunar vehicle locomotion system

改變坡角并對載人月球車移動系統質心高度變化進行比較，如圖4(a)所示，圖中曲線1和2分別對應坡角為20°和23°，曲線3對應坡角為25°。前兩次載人月球車移動系統爬上了斜坡并可運行一段距離，而第三次移動系統兩后輪爬上斜坡后出現滑轉現象，移動系統不再沿坡面行進，故質心位置基本保持不變。輪地相關參數不變[10-11]，僅改變重力加速度，仿真得到載人月球車移動系統最大可爬坡角度約為21°，如圖4(b)，小于月面重力條件可爬越最大坡角。

圖4　載人月球車移動系統爬坡質心高度變化Fig.4　Changes of COM height of the manned lunar vehicle locomotion system during slop climbing

2.3越障性能仿真

在月面環境下越障對于載人月球車移動系統來說具有挑戰性。仿真時除采用月面重力外，其余輪地相關參數設置依據月面條件給出。圖5所示為載人月球車移動系統越障仿真過程。

圖5　載人月球車移動系統越障仿真過程Fig.5　Simulation of obstacle crossing of the manned lunar vehicle locomotion system

對不同越障高度進行仿真，可得到圖6所示載人月球車移動系統質心高度在越障過程中隨時間的變化情況。

圖6　月面重力移動系統越障仿真質心高度變化Fig.6　Changes of COM height of the locomotion system during obstacle crossing in lunar gravity

圖6中的四條曲線分別對應載人月球車移動系統越障高度，分別為250 mm、270 mm、280 mm和290 mm。曲線1、2和3中形成的第一次波峰是由載人月球車兩前輪越障對質心高度的影響造成的，第二次波峰是由載人月球車兩后輪越障對質心高度的影響造成的。越障后，隨時間延續質心趨于穩定狀態。曲線4中載人月球車質心位置除有小幅波動外，始終處于較低位置，仿真過程中移動系統兩前輪試圖翻越障礙未成功，但對質心位置仍有所影響，故對于越障高度290 mm，載人月球車移動系統在月面條件下越障未成功，但仍較好地完成了設計任務。

比較圖6和圖7可知，在地面重力條件下極限越障高度明顯降低。

圖7　地面重力載人月球車移動系統越障仿真質心高度變化Fig.7　Changes of COM height during the obstacle crossing simulation of the manned lunar vehicle locomotion system in earth gravity

圖8中的兩條曲線為同一越障高度，土壤相關參數一致，重力加速度不同的情況下，載人月球車質心加速度的對比情況，地面重力條件下質心加速度明顯大于月面重力條件下的質心加速度值。在月面重力條件下，載人月球車移動系統通過250 mm越障高度時，四個車輪動量變化如圖9所示，兩前輪變化趨勢相似，兩后輪變化趨勢相似，兩后輪變化峰值滯后于兩前輪，這與越障過程相一致，并且兩后輪越障時的動量變化明顯大于兩前輪的動量變化。

圖8　地月不同重力條件下移動系統越障時質心加速度變化情況Fig.8　Changes of COM acceleration of the locomotion system during obstacle crossing in lunar or earth gravity

圖9　月面重力載人月球車移動系統車輪動量變化Fig.9　Changes of wheel translational momentum of the manned lunar vehicle locomotion system in lunar gravity

3地面重力條件載人月球車移動性能試驗研究

這里研制的載人月球車移動系統，外形展開尺寸與地面車輛底盤相仿，搭建低重力模擬試驗室不易于實現，故可利用改變地面重力條件下移動系統有效載荷的方法，與月面條件下相應工況進行等效，來驗證移動系統低重力環境的相關移動性能。

利用載人月球車移動系統原理樣機進行了室外模擬月壤水平移動性能相關實驗、轉向實驗。在移動性能仿真的基礎上，進行了爬坡、越障等移動性能實驗。

載人月球車移動系統相關參數及約束條件如下：

1) 移動系統外形包絡尺寸約束 載人月球車外形包絡尺寸受三個方面限制：其一是要考慮月球車移動系統各子系統結構要求的限制；其二是登月艙中載人月球車存儲位置的限制，其三是月地特殊的地形條件的影響。展開狀態外形尺寸：小于3100 mm×2100 mm×1200 mm。

2) 移動系統質量和承載能力約束 月球車自重(不含有效載荷)：200 kg；承載能力(含航天員和樣品)：500 kg；乘員數量： 2名航天員。

3) 移動系統性能約束 最小轉彎半徑：不小于3 m；越障能力：可以翻越高25 cm，寬50 cm的障礙；平地上的最小離地距離：35 cm；滿載爬坡能力：不小于21°；空車穩定性：前向和左右向40°停車不會翻倒；懸架具有折展功能。

越障能力、平地上的最小離地距離、滿載爬坡能力、滿載駐車坡度及空車穩定性可由月面地形以及載人月球車地面通過性、越障能力、行駛穩定性等來確定。

3.1室外模擬月壤水平移動性能相關實驗

實驗前利用測力計對裝有不同載荷的木箱在沙地產生的水平動摩擦力進行測量，利用牽拉裝置連接載人月球車移動系統與裝有定量載荷的木箱相連接，以產生可控的水平拖拽力。移動系統的驅動電機轉速為定量，改變水平拖拽力，使載人月球車移動系統在水平沙地按直線行走，測量并記錄通過固定距離的時間不同拖拽力對車輪滑轉率的影響如圖10所示，隨拖拽力增加，車輪滑轉率呈現不斷增大的趨勢。

圖10　不同拖拽力整車移動系統水平移動性能實驗Fig.10　Ground moving performance test at different driven velocity for the manned lunar vehicle

3.2載人月球車爬坡試驗

基于爬坡性能仿真，地面重力條件下載人月球車移動系統應能爬越不小于21°的斜坡。圖11為載人月球車移動系統車爬坡過程，試驗結果表明，移動系統可滿足設計指標。

圖11　載人月球車移動系統爬坡試驗Fig.11　Gradeabiligy experiment of the locomotion system of the manned lunar vehicle

3.3載人月球車越障試驗

依據仿真結果，地面重力條件下載人月球車移動系統可越過高25 mm、寬50 mm的障礙，越障過程如圖12所示。

圖12　載人月球車移動系統越障試驗過程Fig.12　Obstacle crossing experiment of the locomotion system of the manned lunar vehicle

4結論

通過對載人月球車爬坡性能和越障性能進行仿真分析，對不同坡角、不同障礙高度載人月球車移動系統質心變化情況進行分析可知：兩種重力條件下的極限越障高度相比地面重力條件下極限越障高度明顯降低。

輪地相關參數不變，僅改變重力加速度，仿真得到載人月球車移動系統地面重力條件下最大可爬坡角度小于月面重力條件可爬越最大坡角。

同一越障高度，土壤相關參數一致，重力加速度不同的情況下，地面重力條件下載人月球車質心加速度明顯大于月面重力條件下的質心加速度值。

在地面重力條件下利用室外模擬月壤進行了平地移動性能和通過性能試驗，對地面重力條件下越障、縱向爬坡仿真數據進行了試驗驗證，仿真結果合理，載人月球車移動性能能夠滿足設計要求。

因此，對于移動系統體積、質量等無法實現低重力模擬試驗條件搭建時，可利用本文所提供的試驗方法，進行移動系統的性能分析和驗證，但移動的有效載荷要進行合理設置，以保證車輪及懸架等的動力學相關參數與低重力環境相一致。

參考文獻(References)

[1]鄧宗全, 范雪兵, 高海波, 等. 載人月球車移動系統綜述及關鍵技術分析[J]. 宇航學報, 2012, 33(6): 675-689.

Deng Zongquan, Fan Xuebing, Gao Haibo, et al. Overview and key technologies for locomotive system of manned lunar rovers[J]. Journal of Astronautics, 2012, 33(6): 675-689.(in Chinese)

[2]李舜酩, 廖慶斌. 星球探測車的研發狀況綜述[J]. 航空制造技術, 2006(11): 68-71.

Li Shunming, Liao Qingbin. Overview of the planet rover[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2006(11): 68-71.(in Chinese)

[3]韓鴻碩, 蔣宇平. 各國登月計劃及載人登月的目的與可行性簡析(上)(下)[J]. 中國航天, 2008(9): 30-33.

Han Hongshuo, Jiang Yuping. Foreign lunar landing missions and the aims and feasibility of manned lunar landing(Part 1&2)[J]. Aerospace China, 2008(9): 30-33.(in Chinese)

[4]Yim Shing-Yik, Gong Shengping, Baoyin Hexi, et al. Current development of manned lunar landing[C]//IAC, 63rd Proceedings of the International Astronautical Congress, 2012.

[5]Giancarlo G. Vehicles for robotic and manned planetary exploration[C]//Valencia, Spain, 57th International Astronautical Congress,2006.

[6]Bekker M G. Introduction to Terrain-vehicle Systems[M]. University of Michigan Press, 1969: 22-79.

[7]Wong J Y, Reece A R. Prediction of rigid wheel performance based on the analysis of soil-wheel stresses[J]. Journal of Terramechanics, 1967, 4(1): 81-89.

[8]丁亮. 月/星球車輪地作用地面力學模型及其應用研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2009.

Ding Liang. Wheel-soil Interaction Terramechanics for Lunar/Planetary Exploration Rovers: Modeling and Application[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2009.(in Chinese)

[9]陶建國, 胡明, 高海波, 等. 月球車剛性車輪與土壤相互作用的力學模型與測試[J]. 空間科學學報, 2008, 28(4): 340-344.

Tao Jianguo, Hu Ming, Gao Haibo, et al. Modeling and measurement of rigid wheel-soil interaction on a lunar rover[J]. Chinese Journal Space Science, 2008, 28(4): 340-344.(in Chinese)

[10]劉吉成. 月球車車輪驅動性能及其綜合評價的研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學, 2009.

Liu Jicheng. Research on Driving Performance and Comprehensive Evaluation of the Lunar Rover Wheels[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2009.(in Chinese)

[11]張朋. 月球車移動系統構型綜合與ALR原理樣機的研制[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2009.

Zhang Peng. Research on configuration Synthesis of Lunar Rover Locomotion System and Development of ALR Principle Prototype[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2009.(in Chinese)

[12]Janosi Z, Hanamoto B. Analytical determination of drawbar pull as a function of slip for tracked vehicle in deformable soils[C]//Proceedings of the 1st International Conference of ISTVES, Torino, Italy, 1961: 707-726.

[13]余志生. 汽車理論[M]. 北京: 機械工業出版社, 2009: 263-269.

Yu Zhisheng. Vehicle dynamics[M]. Beijing: China Machine Press, 2009: 263-269.(in Chinese)

[14]杰姆爾德日安 A Л, 格羅莫夫 B B, 卡茹卡羅 И Ф, 等. 星球車[M]. 馬菊紅, 馮治, 譯. 北京: 中國宇航出版社, 2011: 305-309.

Kemurdzhian A, Gromov B, Kemurdzhian M, et al. Planet Rover[M]. MA Juhong, FENG Zhi, translate.Beijing: China Astronautic Publishing House, 2011: 305-309.(in Chinese)

[15]Zongquan Deng, Xuebing Fan, Haibo Gao, et al. Influence analysis of terramechanics on conceptual design of manned lunar[C]//Harbin, China, 2011 International Conference on Electronic and Mechanical Engineering and Information Technology, 2011.

[16]范雪兵, 鄧宗全, 高海波, 等. 載人月球車金屬彈性篩網輪設計與分析[J]. 宇航學報, 2014, 35(2):235-244.

Deng Zongquan, Fan Xuebing, Gao Haibo, et al. Design & analysis of flexible wire mesh tire for manned lunar roving vehicle[J]. Journal of Astronautics, 2014, 35(2):235-244.(in Chinese)

[17]范雪兵. 載人月球車懸架與車輪結構設計及性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2015.

Fan Xuebing. Structure Design and Performance Research on Suspension and Wheel for Manned Lunar Vehicle[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2015.(in Chinese)

Simulation and Experiments Analysis of Mobility Performance in Deployable Manned Lunar Vehicle

GAO Haibo1, FAN Xuebing1, 2, DENG Zongquan1, DING Liang1, LIU Zhen1

(1.Research Center of Aerospace Mechanism and Control, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2. School of Mechanical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China)

Abstract:For effective research on mobility performance of deployable manned lunar vehicle at low gravity, the deployable locomotion system and the simulation models on mock lunar soil were built. The mobility performance was simulated and the mobility performance on lunar surface or on earth were compared. The maximum obstacle height in earth gravity decreased significantly. When other relevant parameters unchanged, the maximum gradability on earth was less than that on the lunar surface. With the same obstacle height and soil parameters and different gravities, the Center of Mass(COM) acceleration of the manned lunar vehicle on earth was significantly greater than that on the moon. On the basis of the simulation analysis, the prototype of the lunar vehicle on earth was built. Then related trafficability experiments such as gradeability and obstacle crossing etc were carried out on mock lunar soil on earth for the manned lunar vehicle ensuring that the wheels and suspensions were under the same payload. It is verified that the locomotion system of the deployable manned lunar vehicle discussed in this paper could meet the requirements of the design constraints. This provides a technical basis for the further research of the manned lunar rover

Key words:deployable manned lunar vehicle; mobility performance; simulation analysis; performance experiments

收稿日期：2015-11-16；修回日期：2016-04-12

基金項目：國家自然科學基金(50975059/61005080)；哈爾濱工業大學宇航機構及控制技術重點學科實驗室開放基金課題(HIT.KLOF.2009061)；科技部-國際科技合作項目(2010DFR70270)；“111”創新引智計劃(B07018)

作者簡介：高海波(1970-)，男，博士，教授，研究方向為宇航空間機構。E-mail：Gaohaibo@hit.edu.cn

中圖分類號：V476.3

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5825(2016)03-0323-05