非对称月球车行走系统的动力学分析

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目前,深空探测是中国航空航天领域的重点发展方向,同时中国已经制定了“嫦娥工程”,开展以月球探测为主的深空探测。在人类探月活动中,月球车扮演着极其重要的角色,可以代替人类到危险、未知的环境中进行先行探测与科研考察。而行走系统作为月球车的关键所在,将负载各种科学考察仪器对月面进行巡视探测,直接关系到月面探测任务的执行过程和效果。本文在确定新构型月球车的基础上,对行走系统的动力学进行了研究,主要内容包括以下几方面。  针对文中所提出的新构型行走系统,建立动力学方程式。首先建立月球车系统结构图和作为动力学分析用的坐标系以及坐标系之间的转化关系,然后采用牛顿-欧拉方法建立月球车质心运动、绕质心转动、绕悬挂点转动、车轮驱动的动力学方程,同时给出几何和速度约束方程。  分析土壤的基本力学模型,建立完整的动力学数学模型,进行月球车静力学和动力学的计算机仿真。由于该种车型的车轮在车体两侧不对称分布,动力学微分方程和几何速度约束方程联立求解,使得动力学模型的解算比较困难。在尝试最小残差法和有限差分法两种解法后,采用有限差分法对月球车的动力学方程进行解算,主要针对月球车在平地、斜坡、越障、过沟等行走性能进行计算机仿真,并且对比月球车在硬地和土壤行走的不同,得出一些对实际控制有参考价值的数据。  建设月球车行走系统实验所需的环境,包括行走实验所需的土壤、沟壑、障碍物等。通过实验的方法测定月球车动力学模型计算所需的土壤参数,进行月球车的实际行走实验。主要考察月球车攀爬较高的障碍物、跨越较宽的沟壑的能力,并且将实验结果与计算机仿真结果进行对比验证。实验结果证明了月球车动力学模型和仿真计算结果的正确性。
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