六轮摇臂式火星车轮

第1章绪论
1.1课题背景及研究的目的和意义
1.1.1课题来源及背景
1.1.1.1课题来源
本课题来源于中国空间技术研究院与哈尔滨工业大学联合技术研究课题：
（1）着陆巡视器移动分系统移动系统构型参数优化及动力学分析；
（2）基于控制的火星车移动机构运动学建模。本课题还受到国家自然科学基金优秀青年基金项目：机器人地面力学及应用方法（项目号：51822502）的资助。
1.1.1.2课题背景
火星是太阳系内和地球最为相似的行星，对于研究地球的演化具有借鉴意义。它也是除地球外最有可能孕育生命的行星科学家们一直在探讨火星上是否有水，或是否曾经存在液态水。对于其土壤和大气的研究是未来火星移民的基础，决定着人类能否利用火星原位资源建立基地。只有火星表面探测才能很好地回答这些问题。
1971年~1973年，苏联成功地将两台火星巡视器（Marskhod）送入火星大气层，不幸的是它们均在着陆撞击阶段失去了联系[1]。
1996年美国向火星发射了“火星探路者”（Pathfinder）火星车[2]，验证了火星进入、下降和着陆方案，明确了气囊缓冲着陆的可行性。该次任务中的“索杰娜”（Sojourner）火星车质量较轻，仅携带了有限的土壤和大气探测设备，通过该任务获得了火星土壤参数，确定了摇臂-转向架式悬架在火星崎岖地面上的优势。
2004年美国实施了“火星巡视者”（MER）项目[3]，发射了“勇气号”（Sprit）[4]和“机遇号”（Opportunity）火星车[5]，两辆车配置基本相同，它们的质量和体积均较“索杰娜”大得多，但仍然采用气囊缓冲着陆。它们携带了更多的科研设备，还带有钻探和采样功能的机械臂，具备火星表面物质分析能力，“勇气号”工作到2010年，“机遇号”工作到现在。

1.2美国火星车运行中出现的问题
目前，美国已经成功部署了四辆火星车：索杰娜号(Sojourner)[5]、勇气号(Spirit)[6]、机遇号(Opportunity)[6]和好奇号(Curiosity)[7]，使得美国获得火星探测第一手信息，积累了大量的经验和教训，在设计我国火星车时可以加以借鉴。美国四辆火星车的悬架均采用摇臂-转向架构型，除索杰娜号车轮是全刚性车轮外[8]，其它车的车轮均采用刚性轮和弹性轮辐方案[9-11]。受到车轮-土壤相互作用机理的限制，美国火星车移动系统的牵引通过能力有限，这制约了火星车的探测和生存能力。
1.2.1大沉陷脱陷问题
火星土壤的承压能力较差，车轮沉陷往往较深，车轮打滑严重。沉陷后车轮继续旋转，使得沉陷加剧，如图1-1所示。因此，轮式车辆难以自主脱陷。
2006年，勇气号（Spirit）右前轮发生了故障，此后只能采用五个车轮倒车拖动故障轮行驶，行驶一段就要停下来观察路面，右前轮的故障又导致其他车轮寿命的降低[14]。2009年，在通过“特洛伊”沙丘（Troy）时，该车再次陷入沙土中导致右后轮也发生故障，单侧两个车轮故障时车辆失去继续行驶的能力，只能在2010年转为固定观测平台[15]。
机遇号（Opportunity）也遇到过几次车轮沉陷的危险。2005年，机遇号曾陷入一片沙质山脊。虽然沙土深度仅约30cm，但耗时5周才脱困。2008年，其左前轮也发生了类似勇气号的故障，幸运的是该故障在车辆倒车的过程中被消除了。2010年5月，机遇号因害怕再次遇险，
主动地规避了位于维多利亚陨石坑（VictoriaCrater）和努力陨石坑（EffortCrater）之间危险的沙丘。2013年，由于以往损耗导致机遇号移动系统出现故障，车轮驱动电流显著增加[16]。因此，应增强车辆的软土通过性和脱陷能力，避免车轮长时间大沉陷转动。

第2章六轮摇臂式火星车轮-步复合移动系统设计
2.1引言
轮-步复合移动较轮式移动具有更强的牵引通过能力。使用具备轮-步复合移动能力的火星车是完成我国火星探测任务，以及避免美国火星车运行中问题的有效手段。现有星球车移动系统的悬架多采用主副摇臂式，其结构简单，在崎岖地形行驶上具有显著的平顺性优势。我国玉兔号月球车采用了该型悬架，科研人员在玉兔号的研制和使用过程中积累了丰富经验，具有成熟的理论和技术。本文以主副摇臂式移动系统为基础研制轮-步复合式火星车移动系统。本章中将给出火星车悬架几何参数设计目标、设计约束、优化结果。并在此基础上给出步行执行机构及其布置。

2.2火星车轮-步复合移动系统功能需求和设计要求分析
2.2.1移动系统设计要求及指标分析
火星车轮-步复合移动系统总体设计要求如下：
（1）外包络尺寸要求移动系统包络尺寸中长度小于2m，高度小于1.5m，宽度由静态稳定性决定；折叠状态下移动系统包络体积应小于标称状态下移动系统包络体积的70%；
（2）车厢离地间隙要求车厢离地间隙可调整范围为0~500mm；
（3）静态稳定性要求车辆前、后、左、右四个方向的静态稳定角度均不低于45°；
（4）越障高度要求障碍物坡度为70°时，车轮最大越障高度不低于300mm；
（5）爬坡角度要求最大软土坡爬坡角度不低于25°，最大硬质坡爬坡角度不低于30°；
（6）行驶速度要求最大平地行驶速度不低于150m/h，前、后两个方向爬25°松软坡时行驶速度不低于4m/h，前、后两个方向通过松软沙地时速度不低于6m/h。
（7）质量特性要求各构件的质量和质心位置的设置应使整车质量和质心域符合任务要求。
当火星车移动系统满足上述指标时，其可以满足火星探测任务对车辆几何通过性、牵引通过性、行驶速度特性等性能的需要。

第3章轮-步复合移动模式下车轮-地面相互作用力学研究………………………….40
3.1引言……………………….40
3.2基于运动和受力的轮-步复合移动车轮状态分析及分类…………………….40
第4章面向爬坡和脱陷工况的轮-步复合蠕动爬行策略研究……………………….67
4.1引言……………………….67
4.2轮-步复合移动系统运动学和静力学建模………………..67
第5章火星车移动系统原理样机研制和性能试验………………………102
5.1引言…………………………..102
5.2火星车移动系统原理样机搭建…………………….102
第5章火星车移动系统原理样机研制和性能试验
5.1引言
本章介绍移动系统原理样机的研制情况，在控制软件中嵌入了第4.5节中获得的轮-步复合蠕动爬坡、脱陷时控制策略和方法。利用原理样机作为测试平台，开展轮式爬20°坡试验、前后两个方向轮-步复合蠕动爬20°、23°或25°坡试验、前后两个方向轮-步复合蠕动自主脱离140mm以上沉陷试验、深度沉陷或跨越大尺寸垂直障碍时车轮独立抬升试验、着陆平台水平、俯仰15°和侧倾15°时悬架展开试验。根据各项试验的结果对控制策略和方法的效果做出评价。

结论
开展火星探测对于提升我国国际地位、推动科学技术进步、探索宇宙奥秘具有重要作用。火星车是重要的火星探测科研仪器载具，其移动系统的牵引通过能力是完成任务的重要保证。本文针对国外火星探测任务中火星车爬软土陡坡能力差、大沉陷无法自主脱陷问题，提出一种六轮摇臂式火星车轮-步复合移动系统。该系统具备轮-步复合移动能力、悬架自主展开能力、车轮抬离/放回地面能力，比以往轮式星球车移动系统具有更强的地面通过性和生存能力。
本文所取得的主要成果如下：
（1）提出了一种解决轮式移动系统牵引通过能力不足问题的轮-步复合式移动系统。其悬架相对传统摇臂式悬架的最大差别：将主摇臂在主摇臂和差动器输出轴铰接处分成两段，分别与差动器输出轴通过主动旋转关节连接，两关节通过机械传动相关联。本文给出悬架几何参数优化设计目标、约束和方法，确定了悬架几何参数，可以保证悬架折展过程中车厢与着陆平台平行，轮-步复合移动过程中车厢俯仰角的变化较小。
（2）面向轮-步复合移动爬坡和脱陷任务，按照运动和受力特性将轮-步复合移动中车轮分为三类：驱动轮、脱陷轮和止退轮。给出了各类车轮出力系数定义，并利用这些系数表征车轮对悬架作用力延地面切向分量和方向分量间关系。给出了驱动轮挂钩牵引力和脱陷轮行进阻力计算模型，并通过单轮试验进行验证。基于切应力-正应力间关系、朗肯土应力模型和太沙基弹性压密核理论，提出了一种较为准确的止退轮最大后退阻力计算模型，并进行了试验验证。通过试验明确了坡度和地上土体对止退轮后退阻力的影响。根据单轮试验结果，给出了可发挥轮-步复合移动性能的车轮滑转率和车轮出力系数控制期望。
（3）考虑火星车崎岖地面低速行驶特性，建立了轮-步复合移动系统运动学和静力学模型，从运动防干涉、保证稳定性、获得许可最大步长等角度出发给出了悬架变形范围。结合轮-步复合移动地面力学分析结果，给出了蠕动爬坡、蠕动脱陷时各轮出力分配原则。分析了前后两个方向蠕动爬坡、蠕动脱陷时移动系统运动和力学特性。根据分析结果，提出了爬大坡度松软破、大沉陷自主脱陷时火星车蠕动爬行控制策略和方法。给出了蠕动行走时改善轮-地接触状态的方法、大深度沉陷时抬升车轮以降低沉陷深度的方法。抬升车轮方法还可用以增强车辆的越障性能。
参考文献（略）