星球车轮原地运动作用力学及动态沉陷研究

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1、硕士学位论文星球车轮原地运动作用力学及动态沉陷研究(应用型)RESEARCHOFTHEIN-SITUDYNAMICSINKAGEANDMECHANICSBETWEENPLANETARYEXPLORATIONROVERSANDSOIL杨怀广哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TP242.3学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文星球车轮原地运动作用力学及动态沉陷研究硕士研究生：杨怀广导师：丁亮教授申请学位：工学硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP24

2、2.3U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHOFTHEDYNAMICSINKAGEANDMECHANICSBETWEENPLANETARYEXPLORATIONROVERSANDSOILCandidate：YangHuaiguangSupervisor：Prof.DingLiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronics

3、EngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着中国月球探测工程的开展以及火星探测计划的确立，星球探测车的作用变得越来越重要。星球车可以搭载各种科学仪器在星球表面自主移动，是星球探测的重要平台和技术手段。研究星球车轮与松软地形的动态作用规律可以避免星球车在移动过程中由于滑转和侧向滑移导致的运动失效，为车轮的设计和星球车的轨迹规划及相应控制策略提供理论基础。本文基于地面力学的相关理论，采用半经验方法针对星球

4、车单个驱动车轮进行原地转向和原地滑转时的动态沉陷和力学特性进行研究。在实验室已有的车轮原地转向实验结果基础上，补充进行了车轮滑转沉陷实验。分析了垂直载荷、轮刺高度等参数对实验过程中沉陷量和力学参数的影响，得出了垂直载荷、轮刺高度和实验初始条件对实验结果产生很大影响的结论。从地面力学基本理论出发，通过对分布应力的积分，得到了车轮原地转向沉陷量模型；并进一步根据实验结果分析得到了沉陷指数随着转向角度发生改变的两个经验公式；进而将沉陷指数公式带入到沉陷量模型中得到了车轮原地转向动态沉陷模型；建立了转向力矩积分模型，并分析了车轮转向时力矩与模型存在误差的原因，改进了转向力矩积分模型

5、，得到了能够反映轮刺效应的原地转向修正模型；通过引入了车轮等效集中力的概念，推导了转向力矩的简化模型。建立了车轮原地滑转沉陷动态力学模型。根据实验数据得到了沉陷指数随车轮旋转角度的计算公式，通过该模型提高了车轮原地滑转时沉陷量模型的精度；推导了此时车轮各部分剪切位移的表达形式，优化了驱动力矩和挂钩牵引力的动态力学模型；进一步，为了适应实时计算，通过数据拟合的方式，获得了车轮沉陷量、驱动力矩和挂钩牵引力的时变函数模型、驱动力矩关于沉陷量的函数模型和牵引力关于驱动力矩的函数模型。分析了各个模型的最大相对误差和确定系数，基于地面力学理论的模型最大相对误差都在10%以内，确定系数达

6、到了0.95以上；除去极个别情况以外，简化模型的最大相对误差都在20%，确定系数达到了0.80；通过对比模型计算结果和实验结果，得到了模型可以满足一定的计算速度和精度要求的结论。关键词：星球车；地面力学；动态沉陷；可变沉陷指数；沉陷量动态模型；力学模型-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAsChina'slunarexplorationprojectcontinuesandtheMarsexplorationprogramestablished,theroleofplanetaryexplorationroversisbecomingmoreandmorei

7、mportant.Itcancarryavarietyofscientificinstrumentsandautonomousmobileontheplanet'ssurface,whichbecomesanimportantwayinplanetaryexploration.Researchingonthedynamicrulesbetweenrovers’wheelsandsoftterraincanavoidroversfromfailureinmotion,whichiscausedbyslipandlat