基于月球车轮地作用地面力学积分模型的月壤力学参数辨识方法

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnautlcaSinicaJune252011VoI．32NO．61112．”23ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000一6893(2011)06—1112—12基于月球车轮地作用地面力学积分模型的月壤力学参数辨识方法丁亮*，高海波，邓宗全，熊历冰，郭军龙，吕焱哈尔滨工业大学机器人技术及系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150080摘要：月壤力学特性参数的研究可以使人们了解更多的星球地质学信息，也是进行

2、月球探测车等设备开发以及未来从事人类月球活动的工程基础。利用月球车轮地作用测试平台和模拟月壤对6种不同尺寸和轮刺的车轮进行试验，利用传统压板试验和剪切试验测量土壤力学参数。针对月球车轮地作用地面力学积分模型进行耦合度和参数敏感度分析。进而将8个力学参数分为3组，即接触角系数、承压特性参数和剪切特性参数。提出一种循环迭代的参数辨识方法，利用相关度最大的挂钩牵引力、沉陷量和前进阻力矩分别对3组参数依次进行辨识。采用试验数据进行验证，结果表明，此方法可以高精度地辨识土壤的3个剪切参数，组合沉陷模量可以设定为一典型值，接触角系数和沉陷指数系数与车轮相关，反映了车

3、轮的轮刺效应和尺寸效应。该方法避免了简化模型带来的参数辨识误差。实现了对于月壤参数的全面辨识，既可以估计月壤特性，还可以提高轮地作用力学模型的预测精度。关键词：月球车；轮地作用地面力学；参数辨识；月壤；滑转率；月球着陆中图分类号：V476．4文献标识码：A星壤的力学特性研究是星球探测的重要科学析n¨、移动控制[1妇和路径规划[12]等诸多方面，是目标之一，一直以来受到世界科学家的极大关目前星球探测车的一个研究热点，而星壤力学参注[1。7]，这不仅可以使我们了解更多的星球地质学数是基于地面力学模型进行上述应用的基础。信息，还是进行星球探测车等设备开发以及未

4、来对于星球土壤力学参数的研究主要包括两种人类从事星球活动的工程基础。形式。一种为采集星壤返回地球进行研究，可以较星壤力学特性对于星球车轮地相互作用情况为全面地获取相关数据【1]，但是会受到成本和科技有很大影响。探测车在松软崎岖的星球表面运行水平的制约。另外一种为就位(in-situ)研究[13‘。过程中会出现明显的滑转沉陷和侧偏等现象，轮如下的一些原因使得就位研究非常具有必要性：采地相互作用地面力学模型可以对星球车运行过程集回地面的星壤仅限于局部地区，而实际土壤的特中的车轮受力、滑转、沉陷、滑移以及电机驱动力性可能会随采样地点和周围环境的变化存在较大矩、

5、驱动效率等进行预测和分析，进而可以应用于的差异；采集过程中会破坏土壤原有的力学特性；星球探测车的结构设计[8]、性能评价[9]、仿真分目前尚不能够进行火星土壤的采样返回工作；在星收稿日期：2010加8—12；退修日期：2010·10-08；录用日期：2010—11-30；网络出版时间：2们0—12-1614：24网络出版地址：蚺，、『vw．cn¨怕t／kcms／detail／111929．V．20101216．1424．003htmlDOI：CNKI：11—1929／V．201012161424．003基金项目：国家自然科学基金(50975059，610

6、05080)；宇航空间机构及控制技术国防重点学科实验室开放基金(HlT．KLOF．2009060／2009061)；中国博十后科学基金(2们00480994)；黑龙江省博士后科学基金*通讯作者．T乩：0451-86402037-8们E_盯隐iI：IIangding@h

7、t．edu．∞飘展格式IT亮．商海渡．邓宗垒．等．基于月球车轮地作用琏面力学积分模型的月壤力学参数辨识方法￡J]，航空学报．2011．32(6)：1112一¨23．OIngLiang．GaoHalbo·O∞gZ∞gquan，elaI．Anap讲oacholid朗埘yingmec嘶喇ca

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14、ro垤rs￡如，AclaAeronauticaetAS￡fo∞ulicasin}∞。201l，32(6)i¨12．1123．丁亮等：基于月球车轮地作用地面力学积分模型的月壤力学参数辨识方法球车探测过程中，需要实时了解土壤特性变化的情况用于调整控制策略和更新仿真参数。“海盗号”(Viking)火星探测器利用表面取样机械臂进行土壤试验，对流沙、块状土和岩石块3种类型的土壤进行了内聚力与内摩擦角估计[2]。麻省理工学

15、院(MIT)的Hong开发了利用探测车机械臂和土壤相互作用进行土壤参数辨识的系统