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1、14中国空间科学技术2004年6月CHINESESPACESCIENCEANDTECHNOLOGY第3期月球探测车转向系统动力学建模与分析王佐伟吴宏鑫(北京控制工程研究所,北京100080)摘要月球探测车在月球表面松软土壤上的转向动力学特性比较复杂。文章在已有的车辆地面力学成果的基础上,研究了探测车在松软的月球表面土壤上的转向动力学问题。给出了六轮月球探测车的四轮转向运动学计算公式,推导了探测车在松软土壤上的四轮转向动力学模型,提出了合理的简化方法,并对稳态特性进行了相应的分析。所得到的结果为探测车转向系统设计及控制算法研究提供了依据
2、。主题词月球车转向机构动力学数学模型1引言无人驾驶的探测车(漫游机器人)是月球及行星表面探测的重要工具。月球探测车在月球表面自主行驶时所面临的环境十分复杂。为提高探测车的自主性与安全性,需要研究其在松软土壤上的动力学特性。转向系统是探测车运动系统的重要组成部分,其性能直接影响探测车的平稳性和机动能力。[13〗在汽车动力学领域,已对车辆前轮、后轮及多轮转向问题进行了较为深入的研究,但汽车动力学主要研究的是充气轮胎在结构化刚性路面上的操纵稳定性问题,而月球表面大多数地方都覆[4]盖着由细尘和碎岩组成的月壤层。月壤层的土壤多数比较松软,密
3、度比地球上的沙质土壤小。因此对月球探测车来说,车轮的接触环境主要是松软土壤,车轮存在下陷和滑移,这给转向系统的分析与设计带来了较大困难。本文针对松软路面的特性,深入研究了探测车四轮转向系统的动力学问题。论文给出了六轮月球探测车的四轮转向运动学计算公式,推导了探测车在松软土壤上的四轮转向动力学模型,提出了合理的简化方法,并对稳态特性进行了相应的分析。2转向运动学本文研究的探测车采用六轮摇臂式底盘结构,整车结构如图1所示。采用六轮独立驱动,前后四轮协调转向。在研究探测车的转向问题时,对系统作如下考虑:1)所有车轮均看作刚性车轮;2)各车轮
4、的几何尺寸完全相同;3)不考虑探测车的垂直及俯仰运动,不计侧倾影响。中国空间技术研究院预先研究资助项目图1探测车整体示意图收稿日期:2003207209。收修改稿日期:20032092022004年6月中国空间科学技术15如果四轮任意转向,各轮的转向自由度之和超过所需的转向自由度,则车体的运动与各轮转向运动之间的关系是很复杂的,因为这是一个过约束问题。在实际系统中,需协调各轮的转向,其原则是使各轮的转向中心线尽可能相交于一点,称为瞬时转向中心(InstantaneousCenterofMotion,ICM),如图2所示。转向运动学计算
5、的任务可描述为:给定瞬时转向中心(由转向方位角φS和转向半径RS描述),求解各转向轮所需的转向角。不计滑移,在存在理想瞬时转向中心的条件下,转向图2转向运动学关系运动学可由图2所示的几何关系得到:δfl=arctan[(dL/2-RScosφS)/(RSsinφS-dB/2)](1)δfr=arctan[(dL/2-RScosφS)/(RSsinφS+dB/2)](2)δrl=arctan[(dL/2+RScosφS)/(RSsinφS-dB/2)](3)δrr=arctan[(dL/2+RScosφS)/(RSsinφS+dB/2)
6、](4)式中dL为前后轮轴距;dB为车宽;δfl,δfr,δrl,δrr分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的转向角。由上式可知,当dB/2nRSsinφS时,左右轮的转向角相差不大,即δfl≈δfr,δrl≈δrr。对于通常的转向任务,φS一般选在90°附近,RS也比较大,因此这种近似关系通常是满足的。对于实际的月球探测车来说,为简化转向系统设计,减轻质量,一般可采用左右协调联动的转向方式,这在汽车理论中称为Ackerman转向方式。在前后轮双Ackerman转向方式下,当车体尺寸较小时,可认为左右轮的转向角近似相等。因而可将左右两
7、轮等效成集中在一起的单轮,则月球探测车的转向系统模型可表示为图3所示。3转向动力学建模在转向动力学研究中,需要着重考虑车轮侧偏与侧滑的影响,这是松软路面给转向系统带来的突出影响。转向动力学模型如图3所示。参数定义如下:δf,δr:前轮、后轮的转向角。αf,αm,αr:前轮、中轮、后轮的侧滑角。FSf,FSm,FSr:前轮、中轮、后轮所受的侧向力。FLf,FLm,FLr:前轮、中轮、后轮所受的纵向力。lf,lm,lr:前轮、中轮、后轮至车体质心的距离。ψ:探测车航向角。β:探测车质心侧偏角。ωZ:探测车绕Z轴的横摆角速度(偏航角速度,即
8、ψÛ)。vR:探测车的车速。图3转向动力学示意图m0:探测车的质量。16中国空间科学技术2004年6月IZ:探测车绕Z轴的转动惯量。由图3可知,vR=RSωZ,则探测车沿XR和YR轴的加速度分别为2ax=aτcosβ-a
