星球車輪地作用測控系統研究與設計

來源: www.126151.tw 作者:lgg 發布時間:2015-07-19 14:57 論文字數:36254字
論文編號: sb2015071815445713509 論文地區:中國 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文 論文價格: 150
本文是工程論文,本文采用地面力學理論和輪地作用試驗相結合的方法,通過建立地面力學積分模型,研究了星球車車輪滑轉率估計方法,設計了輪地相互作用測控系統。

第 1 章 緒論


1.1 課題背景及研究的目的與意義
同探索陸地、海洋和近地空間一樣,人類對外部空間的探索本身就是研究生命起源和進化的重要一步[1]。作為國家綜合實力的重要體現和空間技術高度發達的標志,深空探測對于國家的軍事、經濟和科學等諸多方面具有重要意義地。自從上個世紀八十年代,世界各國掀起了深空探測高潮,俄羅斯、美國等相繼宣布并開展深空探測任務[2]。進入二十一世紀,中國通過載人航天系列和嫦娥工程等航天事業彰顯了作為航天大國的空間探測能力。星球車是外部空間探測不可或缺的工具。到現在為止,成功對月球進行探測的月球車共有六輛,其中俄羅斯兩輛、美國三輛、中國一輛,已經登錄火星的探測車共有四輛,全部由美國發射[3]。由于星球環境的復雜性和未知性,星球車在探測過程中極易發生滑轉和沉陷現象,從而給星球車的勘探任務提出了許多挑戰。俄羅斯的無人探測月球車在月球表面探測時曾經深陷松軟的月壤當中,經過反復的車輪轉動調節,當耗費了所有的動力能量之后才得以回到硬質路面,然后不得不暫時停止工作,用以進行探測車的充電。美國的載人月球車在行駛過程中出現嚴重的車輪下陷情況,不得不由宇航員通過人工方式脫離松軟土壤。美國的勇氣號探測車在對火星進行勘探時,車輪出現了嚴重的滑轉沉陷問題,給火星車的深空探測任務增加了很大難度。星球車在對星球的探測活動中需要搭載大量的科學儀器,用以完成不同的科學實驗。如果要完成這些科學探測實驗,必然要求星球車具有良好的移動性能,能夠在崎嶇復雜的環境中有效運行,否則由于星球車的故障問題將會對國家造成巨大的損失和影響,因此,為提高星球車移動性能,星球車與星壤的力學特性研究十分必要。
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1.2 地面力學國內外研究現狀
從十八世紀開始,車輪與土壤相互作用地面力學理論研究便開始了。早在1813 年,捷克的 Gerstner 便提出了車輪牽引力與車輪構型參數、載荷之間關系表達式。到二十世紀初,由于拖拉機的到廣泛應用,車輛在松軟土壤上的行駛問題受到各國學者的極大關注。1913 年德國學者 Bernstein 提出車輛在土壤上運行時,車輪沉陷量和車輪應力分布之間的關系,但研究中只考慮了車輪的運動阻力對車輪的影響,并未把車輪驅動力對沉陷量的影響考慮進去。英國學者Miclethwait 于 1944 年首次提出基于庫侖公式可以求解車輪與土壤的最大推力,采用 Terzaghi 原理可以研究土壤與車輪的承載能力問題[5]。地面車輛力學課程率先由 Bekker 于華沙工學院創建,在此期間并創建了輪地力學研究室。在 1950~1952 年間,Bekker 基于已有的研究成果,創建了越野行駛力學課程,通過創辦實驗室研究輪式車輛在土壤上的通過性問題,并首次解決了車輪滑轉與牽引性能之間的力學問題,得出了土壤的剪切應力與剪切位移的關系表達式,該表達式比庫侖公式更加適用于對輪地作用的研究。在1952~1954 年間,Bekker 在約翰霍布金斯大學工作期間,通過對運動阻力和沉陷量之間關系的研究,得出了土壤正壓力與沉陷量之間的關系式,該關系式經過了大量的試驗驗證,由于模型簡單實用至今仍被廣泛應用。在 1954~1960 年期間,Bekker 一直致力于通過輪地作用試驗研究土壤的力學參數,并進一步完善地面力學理論,在 1960 年出版了《越野行駛》一書,書中提出通過車輪掛鉤牽引力和車輪壓力之間的比來評價車輪的驅動性能[6]。
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第 2 章 輪地作用力學模型研究及其應用


2.1 輪地作用力學影響因素
星球車車輪與星壤的相互作用過程中,受到土壤連續的徑向應力和剪切應力,連續的應力形成作用于驅動車輪的掛鉤牽引力、法向支持力和驅動阻力矩。車輪運動參數的變化對車輪受到的力和力矩具有重要影響,這些運動參數包括車輪滑轉率、輪地接觸角以及車輪側偏角等。星球車車輪與星壤的力學特性研究是輪地作用力學模型建立、理論分析驗證以及車輪驅動性能分析和測試的基礎。由于星壤的及其珍貴,室內研究采用模擬星壤的形式分析星球車的輪地相互作用力學特性,然后對比的探究驅動車輪在外部星球環境中的力學特性。采用地面力學理論分析土壤力學特性的研究中,Bekker 的半經驗方法因可以定量的描述與車輛有關的地面力學性能,從而得到廣泛的應用。該方法把土壤的變形分為豎直方向的變形和水平方向的變形兩個部分,相應代表了土壤的承壓特性和剪切特性[33,34]。承壓特性 載荷產生的壓力會使實驗土壤產生一定形變,土壤的形變包括彈性形變和塑性形變兩部分[35]。土壤的承壓特性一般通過壓板實驗進行測試,壓板實驗原理圖如圖 2-1 所示。土壤在微小的載荷下即能發生彈性形變,并且當載荷被去除時,土壤的回彈部分也主要有彈性形變決定。圖 2-2 為壓板正壓力和壓板沉陷量之間的關系曲線,曲線 OC 顯示了土壤的承壓特性,可以簡化為直線OA 和直線 AB 兩部分。
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2.2 輪地相互作用力學模型研究
車輪前進模型是在不考慮側偏角的情況下,描述驅動車輪在松軟土壤上的滑轉狀態。通過對車輪受到的集中力和力矩進行研究,得出力和力矩的解析表達式,車輪前進模型研究是建立側偏滾動模型和轉向模型的基礎。星球車車輪與地面相互作用前進受力分析如圖 2-4 所示。車輪滑轉率估計可以使操作人員了解車輪的運動信息,并及時對星球車故障做出相應處理,相關的方法研究對于星球車運動規劃和策略設計等諸多方面具有重要意義?,F階段的滑轉率估計方法研究大多基于視覺檢測技術,通過分析車轍形狀得出有輪刺車輪的滑轉率信息,但對于光滑車輪并不適用[39]。本文基于星球車車輪前進模型,通過分析參數間耦合關系,提出被動滑轉狀態下車輪滑轉率估計方法。
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第 3 章 星球車輪地作用測控系統設計.......... 22
3.1 輪地作用測控裝置......... 22
3.2 測控系統體系結構及硬件平臺搭建..... 25
3.2.1 測控系統體系結構.......... 25
3.2.2 硬件配置.......... 27
3.3 測控系統軟件設計......... 30
3.4 本章小結......... 37
第 4 章 輪地相互作用試驗及分析.......... 38
4.1 試驗條件與設計..... 38
4.2 車輪主動滑轉試驗......... 39
4.2.1 前進試驗.......... 39
4.2.2 側偏滾動試驗.......... 42
4.3 車輪被動滑轉試驗......... 43
4.4 本章小結......... 45


第 4 章 輪地相互作用試驗及分析


4.1 試驗條件與設計
輪地相互作用試驗系統示意圖如圖 4-1 所示,通過操作控制柜中的人機交互界面,利用試驗臺實現車輪與土壤的相互作用運動,進而采集并保存集中力/力矩、沉陷量等數據,用于后續的處理和分析,其中試驗系統基于不同的試驗需求可以更換不同的測試車輪。工控機、固高運動控制卡、泓格數據采集卡、伺服驅動器等控制元件在安裝在控制柜當中,伺服電機、六維力傳感器、傾角傳感器等最終執行元件或反饋元件安裝在試驗臺上,兩部分通過航插和傳輸線連接在一起,用以實現控制命令傳送和采集數據反饋。土壤的力學參數決定了相互作用時車輪的驅動性能[45],為更加真實的研究星球車車輪的受力情況,模擬星壤的選擇至關重要。本文選用力學特性與星壤非常接近的松軟干沙作為試驗土壤,松軟干沙是以細沙為原材料,通過剔除雜質、烘干等步驟加工制作而成的?;诔袎禾匦栽囼灪图羟刑匦栽囼?,可以獲得干沙的力學參數,如表 4-1 所示。利用輪地相互作用測控裝置,安裝好被測車輪后即可進行相關試驗操作,本文選用的測試車輪半徑為 400mm,寬度為 125mm。首先構建輪地作用試驗環境,利用松土工具和刮沙機構對土壤進行鏟土和平整,保證車輪運行環境的一致性和試驗的可重復性,然后對車輪進行垂直方向加載,通過增加或減少負載,達到試驗所需載荷要求,并在此基礎上獲取六維力傳感器、傾角傳感器、扭矩傳感器等集中力/力矩的基準,實現各個數據讀取的準確性和精確性,最后通過操作測控系統界面,開始輪地相互作用試驗,通過采集和導出各個傳感器的數據,使測試數據以文檔的形式保存在設置路徑中。

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結論


為保障探測車順利完成探測任務,星球車輪地作用力學特性研究極其重要。本文采用地面力學理論和輪地作用試驗相結合的方法,通過建立地面力學積分模型,研究了星球車車輪滑轉率估計方法,設計了輪地相互作用測控系統,取得的成果有以下幾個方面:
1.分析了車輪運動參數和土壤力學特性對輪地相互作用力學的影響,進而建立了三種力學積分模型:車輪前進模型、車輪側偏滾動模型和車輪轉向模型。結合輪地作用地面力學,通過對力學模型進行受力分析,推導了積分模型的集中力/力矩解析表達式。
2.基于輪地作用前進模型,針對關于正壓力和掛鉤牽引阻力的方程組的高度耦合性和復雜非線性,解析了車輪滑轉率、輪地接觸角、土壤參數和車輪參數之間的耦合關系。結合參數解析結果和力學簡化模型,提出了被動滑轉狀態下星球車車輪滑轉率估計方法。
3.通過介紹輪地作用測控裝置,給出了崎嶇地形模擬方法,確定了三種輪地作用力學特性測試任務:主動滑轉測試、被動滑轉測試和轉向測試?;诠δ苄枨蠓治?,設計了測控系統體系結構,并在此基礎上搭建了硬件系統平臺,給出了具體硬件配置?;谀K化思想,通過分析測控系統軟件總體設計方案,構建了軟件系統體系;采用層次化和封裝化方式,開發了測控系統軟件程序,并闡述了車輪滑轉測控程序和俯仰土槽運動程序實現流程。
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參考文獻(略)


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