星球车轮地作用测控系统研究与设计

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1、星球车轮地作用测控系统研究与设计摘要作为外部空间探测不可或缺的重要工具，星球车需要自主运行于星球表面。但是由于星球表面环境的复杂性和不确定性，导致星球车极易出现滑转沉陷现象，从而给探测车的勘探任务提出了许多挑战。车轮作为星球车与星壤直接接触的部件，对于整车的移动性能有着决定性影响，深入研究轮地作用力学特性对于车轮驱动性能分析和星球车移动控制具有重要意义，因此在建立地面力学模型的基础上，设计功能完善的轮地作用测控系统十分必要。本文基于地面力学理论，分析了车轮运动参数和土壤力学特性对轮地作用力学的影响，为模拟星球车车轮

2、运行状态，建立三种地面力学积分模型：车轮前进模型、车轮侧偏滚动模型以及车轮转向模型，推导了积分模型集中力/力矩解析表达式。针对前进模型方程组的高度耦合性和复杂非线性，解析了模型参数间耦合关系；结合模型解析结果和被动滑转原理，系统研究星球车车轮滑转率估计方法。在详细介绍俯仰土槽运动装置和车轮滑转测控装置的基础上，给出了针对星球表面环境的崎岖地形模拟方法和确定了基于地面力学模型的轮地作用测试任务。根据任务需求设计轮地作用测控系统体系结构，提出运动控制系统和数据采集系统并存的划分方式，进而搭建了硬件系统平台，给出了具体硬

3、件配置。通过分析测控系统软件总体设计方案，构建了软件系统模块化体系；采用层次化和封装化方式，开发了轮地作用测控系统软件程序。通过对试验系统、试验步骤和数据处理方法进行分析，开展轮地相互作用试验。基于车轮前进试验和车轮侧偏滚动试验，研究了测试数据随滑转率的变化趋势，为车轮驱动性能分析奠定基础；基于车轮被动滑转试验，将滑转率理论值和实际值进行比较，试验结果验证了力学模型和滑转率估计方法的合理性和正确性。关键词星球车；测控系统；地面力学模型；滑转率-1-ResearchandDesignofMeasurementandC

4、ontrolSystemonWheel-SoilInteractionforRoverAbstractAsanindispensibletoolforouterspaceexploration,roverisrequiredtorunonthesurfaceofplanetindependently.Theslipandsinkagephenomenoniseasilyproducedbecauseofthecomplexityanduncertaintyofplanetsurfaceenvironment,whi

5、chincreasemanychallengesforroverexplorationtask.Thewheelofplanetaryrover,whichcontactsdirectlywiththesoil,isofdecisiveinfluenceformobileperformanceofthevehicle.Itisgreatlysignificantforanalysisondrivingperformanceofwheelandmobilecontrolofplanetvehicletodeeplyr

6、esearchthemechanicalpropertiesofwheel-soilinteraction.Therefore,it’sverynecessarytodesignameasurementandcontrolsystemonwheel-soilinteractionwithperfectfunctionbasedonbuildingterramechanicsmodels.Theinfluenceofwheel-soilinteractionmechanicscausedbymovementparam

7、etersofwheelandmechanicalpropertiesofsoilisanalyzedbasedonterramechanicstheory.Tosimulatetherunningstateofwheel,forwardmodel,sidesliprollingmodelandsteeringmodelarebuildedandanalyticalexpressionsofconcentratedforceandtorqueinintegralmodelarederived.Therelation

8、shipbetweenparametersisanalyzedaimedatthehighlycouplingcharacteristicandcomplexlynonlinearcharacteristicsoftheforwardmodelequations.Theestimationmethodforwheelslipratioofplanetaryr