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第1章 绪论 1

1.1 星球车行走系统的定义与功能 1

1.1.1 无人驾驶星球车行走系统 1

1.1.2 载人星球车行走系统 2

1.2 星球车行走系统的基本构成 2

1.2.1 动力系统 3

1.2.2 驱动系统 3

1.2.3 悬架系统 4

1.2.4 转向系统 5

1.2.5 制动系统 6

1.2.6 承载和连接 6

1.2.7 控制系统 7

1.2.8 操控系统 7

1.3 星球车行走系统的性能及关联因素 7

1.3.1 星球车总体约束条件 7

1.3.2 星球环境影响 8

1.4 星球车行走系统研究的基础理论和方法 9

1.4.1 车辆地面力学理论 9

1.4.2 星球车行走系统的研究方法 9

1.5 星球车行走系统研究的几个重点方向 12

1.5.1 行走系统与土壤作用关系 12

1.5.2 行走方式及行走系统构型 12

1.5.3 自主行走的能力 12

1.5.4 行走性能的预测及模拟外星球试验 12

第2章 土壤特性及外星球土壤模拟 13

2.1 土壤可行驶性的定义 13

2.2 土壤的质地分类及其可行驶性曲线 14

2.3 土壤的物理特性 15

2.3.1 颗粒形态 15

2.3.2 粒径分布 16

2.3.3 比重和容重 17

2.3.4 含水量及饱和系数 18

2.4 土壤的力学特性 18

2.4.1 承压特性 18

2.4.2 剪切特性 20

2.5 星球土壤的模拟 20

2.5.1 月壤的力学特性 21

2.5.2 月壤模拟材料 21

2.5.3 月壤模拟的添加物质 23

2.5.4 模拟月壤的制备方法 25

2.6 星球土壤行驶性的测试 25

2.6.1 实验室测试设备——贝氏仪 26

2.6.2 现场测试设备 28

第3章 星球车与土壤的相互作用 30

3.1 车轮与土壤作用的机理 30

3.2 星球车的轮—壤作用模型 31

3.2.1 滑转率和滑转角 31

3.2.2 沉陷量 32

3.2.3 接触角 35

3.2.4 法向应力 36

3.2.5 剪切应力 37

3.3 轮—壤力和力矩的计算 39

3.3.1 挂钩牵引力 39

3.3.2 侧向力 39

3.3.3 垂向力 40

3.3.4 阻力矩 40

3.4 轮—壤的重复通过性 40

3.5 轮—壤作用试验系统 41

3.5.1 试验系统的设计要求 42

3.5.2 典型轮—壤作用试验系统 42

3.5.3 月球车轮—壤作用试验及分析 44

第4章 星球车的行走方式 47

4.1 行走方式的分类及特点 47

4.2 轮式滚动行走方式 49

4.2.1 爬坡性能 50

4.2.2 斜坡横向移动能力 51

4.2.3 断面通过性能 52

4.2.4 轮式行走的主要通过性能 53

4.3 腿式跨步行走方式 53

4.3.1 跨步行走的原理 53

4.3.2 跨步行走的动力学模型 56

4.3.3 跨步行走的通过性能 58

4.3.4 跨步行走的优点和不足 59

4.4 轮—步式复合行走方式 59

4.4.1 轮—步式行走的原理 60

4.4.2 轮—步式移动的动力学模型 61

4.4.3 轮—步式移动的通过性能 63

第5章 星球车行走系统运动学 65

5.1 运动学基础理论 65

5.2 坐标系及变换 67

5.2.1 车体坐标系 67

5.2.2 轮地接触点坐标系 68

5.2.3 运动坐标系 69

5.3 姿态分析与定位 69

5.3.1 位姿正运动学方程 69

5.3.2 关节角变化与车姿的关系 70

5.4 转向逆运动学 71

5.4.1 转向角 72

5.4.2 车轮转速 74

5.4.3 逆运动学解析解 76

5.5 基于运动学的航位推算 77

第6章 星球车行走的控制 79

6.1 单轮驱动控制 80

6.1.1 车轮牵引驱动控制 80

6.1.2 车轮转向驱动控制 82

6.1.3 牵引和转向电机的选型 83

6.2 多轮运动协调控制 84

6.2.1 基于转速闭环的运动协调 84

6.2.2 基于转矩闭环的运动协调 85

6.2.3 基于滑转率闭环的运动协调 85

6.2.4 行走系统动态稳定性 87

6.3 遥控及自主行走控制 88

6.3.1 外部环境信息获取 88

6.3.2 基于几何通过性的行走控制 89

6.3.3 基于支撑通过性的行走控制 91

第7章 星球车行走性能评估 92

7.1 行走性能评估准则 92

7.1.1 通过性评估准则 92

7.1.2 稳定性评估准则 96

7.1.3 行走效率评估准则 98

7.2 星球环境建模 98

7.2.1 环境的定性模型 99

7.2.2 环境的定量模型 100

7.3 通过性评估模型 101

7.3.1 直线行驶性能评估 101

7.3.2 转向性能评估 103

7.3.3 越障性能评估 104

7.4 稳定性评估模型 108

7.4.1 静态稳定性 108

7.4.2 动态稳定性 109

7.5 功率消耗的评估模型 117

第8章 缩比模型的低重力试验 119

8.1 低重力对星球车行走性能的影响 119

8.1.1 低重力对土壤力学性能的影响 119

8.1.2 低重力对“牵引-附着”性能的影响 120

8.2 相似理论及其在低重力模拟中的应用 121

8.3 模型试验理论基础 123

8.4 星球车牵引特性的低重力缩比模型 125

8.4.1 牵引特性的无因次全组 125

8.4.2 模型试验比例因数 127

8.5 星球车低重力缩比模型试验 128

8.5.1 模型比例在低重力模拟月壤中的应用 128

8.5.2 模型比例在牵引性能试验的应用 129

参考文献 131