机器人科学与技术丛书 机械工程前沿著作系列 月球车移动系统设计PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 月球车的工作环境 2

1.2.1 月球概况 2

1.2.2 月面地貌特征 2

1.2.3 月壤基本特性 4

1.3 星球车的成功范例 5

1.3.1 国外月球车 5

1.3.2 火星车 7

1.3.3 中国“玉兔号”月球车 8

1.4 月面巡视探测的科学目标与工程目标 11

1.4.1 科学目标 11

1.4.2 工程目标 11

1.5 月球车移动系统的研究内容 11

参考文献 12

第2章 月球车移动系统构型设计 13

2.1 月球车构型综合基础 13

2.1.1 运动链构型综合的单开链叠加法 13

2.1.2 运动链拓扑图顶点类配的生成 15

2.1.3 同构拓扑图的判别及新方法的提出 16

2.2 月球车悬架构型综合 20

2.2.1 悬架构型基本步骤 20

2.2.2 单轮被动自适应悬架综合 21

2.2.3 双轮及三轮被动自适应悬架综合 24

2.2.4 悬架新构型初选 30

2.3 月球车差动机构构型综合 32

2.3.1 差动机构的特征和要求 32

2.3.2 两齿轮副差动机构构型综合 33

2.3.3 三齿轮副差动机构构型综合 36

2.4 月球车移动系统车轮构型 40

2.4.1 金属弹性车轮 41

2.4.2 刚性车轮 43

2.4.3 可展开车轮 44

参考文献 47

第3章 月球车移动系统折展技术 51

3.1 月球车移动系统折叠研究 51

3.1.1 可折展机构的最小单元 51

3.1.2 基本单元变异与融合方式研究 54

3.1.3 月球车悬架折叠综合示例 60

3.1.4 MCQS悬架的折叠方案 66

3.2 月球车车轮折叠研究 67

3.2.1 可展开车轮轮辐基本构型确定 68

3.2.2 可展开车轮构型综合 69

3.2.3 可展开车轮构态变换 72

3.2.4 可展开车轮构件关联模型 74

3.3 具有折展功能的月球车设计实例 75

3.3.1 八轮扭杆摇臂式可折展月球车 75

3.3.2 MCQS月球车可折展设计 79

3.3.3 六圆锥轮式可折展月球车 81

参考文献 81

第4章 月球车地面力学 83

4.1 月球车地面力学概述 83

4.1.1 月球车地面力学的研究意义 83

4.1.2 地面力学在月球车中的作用 85

4.1.3 地面力学研究方法 87

4.2 月球车轮地相互作用力学影响因素分析 90

4.2.1 月壤的物理与力学特性 90

4.2.2 月表地形信息 92

4.2.3 车轮构型及参数 93

4.2.4 车轮运行状态信息 93

4.2.5 月球车轮地相互作用力学基本模型 95

4.3 轮地相互作用力学模拟实验 96

4.3.1 实验条件 96

4.3.2 车轮土壤相互作用力学实验方法 100

4.3.3 整车测试系统实验 104

4.3.4 实验数据处理 106

4.4 月球车轮地相互作用力学模型 107

4.4.1 无轮刺车轮的轮地相互作用力学传统模型 108

4.4.2 轮刺效应 109

4.4.3 车轮的滑转沉陷分析 120

4.4.4 车轮前进力学模型 124

4.4.5 反映载荷效应的月球车轮地相互作用模型 127

4.4.6 车轮的侧偏和转向模型 128

4.5 轮地作用解析解耦模型及参数辨识方法研究 134

4.5.1 轮地相互作用模型分析 134

4.5.2 基于积分模型的参数辨识方法研究 141

4.5.3 轮地相互作用封闭解析解耦模型研究 143

4.5.4 基于封闭解析模型的参数辨识方法研究 147

4.5.5 基于整车实验的沙土参数辨识 152

参考文献 153

第5章 移动系统动力学建模与仿真 157

5.1 引言 157

5.2 星球车虚拟仿真意义、现状与发展趋势 157

5.2.1 星球车虚拟仿真的意义 157

5.2.2 星球探测车虚拟仿真研究简述 159

5.2.3 星球车虚拟仿真系统的发展趋势 161

5.3 关节式星球车通用递归运动学建模 163

5.3.1 星球车的拓扑结构描述 163

5.3.2 坐标系定义与坐标变换 166

5.3.3 运动学递归方程 167

5.3.4 速度雅可比矩阵 169

5.4 基于轮地作用力学的月球车通用递归动力学建模 173

5.4.1 松软崎岖地形中的轮地相互作用力计算 173

5.4.2 拉格朗日动力学方程推导 176

5.4.3 基于牛顿-欧拉法的逆动力学 179

5.5 基于Matlab的仿真平台开发及实验验证 181

5.5.1 基于SpaceDyn的仿真系统实现 181

5.5.2 El-DoradoⅡ探测车模型 182

5.5.3 基于El-DoradoⅡ的仿真实验验证 183

5.6 基于ADAMS的月球车仿真 185

5.6.1 基于轮胎模型的仿真 186

5.6.2 基于二次开发的地面力学模块的仿真 190

5.7 基于Vortex的实时仿真系统开发 193

5.7.1 Vortex介绍 193

5.7.2 RoSTDyn仿真平台开发 194

5.7.3 “玉兔”月球车性能仿真分析 196

参考文献 201

第6章 月球车性能分析及悬架参数优化 203

6.1 月球车移动性能分析 203

6.1.1 月球车几何通过性分析 204

6.1.2 月球车坡道行驶能力分析 206

6.1.3 月球车抗倾翻性能分析 207

6.1.4 月球车越障性能分析 209

6.1.5 月球车跨越壕沟性能分析 211

6.2 月球车移动系统设计参数 213

6.2.1 月球车基本结构 213

6.2.2 月球车悬架参数化表示 213

6.3 摇臂悬架设计参数优化 215

6.3.1 优化数学模型 215

6.3.2 基于越障性能悬架设计参数优化 218

6.3.3 基于移动平稳性能悬架设计参数优化 224

6.3.4 优化结果分析 225

参考文献 227

第7章 月球车移动控制技术 229

7.1 引言 229

7.2 松软崎岖地形中的月球车路径跟踪控制 229

7.2.1 基于目标追踪法的理论跟踪路径计算 229

7.2.2 月球车非完整运动学模型实例 231

7.2.3 基于滑移补偿的转向控制策略 235

7.2.4 路径跟踪控制仿真验证 237

7.3 车轮滑转率在线估计方法 238

7.3.1 基于轮刺痕迹的车轮滑转率估计 239

7.3.2 基于轮地相互作用力学的车轮滑转率估计 239

7.4 基于能量-时间最优的滑转率协调控制 240

7.4.1 车轮滑转率与月球车能量消耗的关系 240

7.4.2 月球车滑转率协调控制算法设计 244

7.4.3 仿真验证 246

7.5 基于能量-时间最优的路径跟踪控制 247

参考文献 248

第8章 多节串联式移动系统设计实例 251

8.1 总体设计 251

8.2 移动系统尺度综合 253

8.3 移动系统结构设计 256

8.3.1 悬架机构的结构设计 256

8.3.2 车轮构型及其结构设计 257

8.3.3 车轮轮系设计 259

8.4 控制系统设计 261

8.4.1 硬件系统设计 261

8.4.2 软件系统设计 262

8.4.3 电源及电力分配 262

8.5 三维实体模型建立 263

8.6 移动系统运动模式设计 264

8.7 地形通过性分析 269

8.7.1 被动适应模式下的地形通过性分析 269

8.7.2 主动适应模式下的地形通过性分析 274

8.8 移动系统原理样机性能实验 276

8.8.1 车轮均一当量牵引系数测定 277

8.8.2 被动适应模式下越障实验 278

8.8.3 主动适应模式下越障实验 279

8.8.4 壕沟通过性测试 280

8.8.5 爬坡能力测试 282

8.8.6 侧向稳定性测试 282

8.8.7 运动平顺性测试 283

8.9 其他月球车移动系统设计实例 284

8.9.1 摇臂转向架六轮移动系统 284

8.9.2 四行星轮式移动系统 286

8.9.3 八轮对称悬架移动系统 288

参考文献 290

第9章 月球车重力补偿实验 291

9.1 国内外星球车低重力模拟研究现状 291

9.1.1 等效质量样机方法 291

9.1.2 悬吊法低重力模拟 292

9.2 月球车悬吊法低重力模拟实验系统简介 295

9.2.1 功能和指标要求 295

9.2.2 系统构成 296

9.2.3 系统设计中的关键问题 297

9.3 月球车重力补偿模型的建立 298

9.3.1 广义坐标的选取 298

9.3.2 轮地力至广义力的映射 299

9.3.3 拉格朗日算子的构成 309

9.3.4 补偿力的约束条件 311

9.3.5 关节链及参数定义 312

9.3.6 关节链的重力势能及补偿力势能 314

9.3.7 重力补偿模型的表示式 318

9.4 月球车重力补偿模型的解系 321

9.4.1 单条关节链的补偿力解系 321

9.4.2 多条关节链的补偿力解系 327

9.4.3 分叉关节链的补偿力解系 329

9.4.4 差速器耦合关节链的补偿力解系 330

9.4.5 补偿力解系小结 331

9.5 月球车单吊索重力补偿方法 331

9.5.1 单吊索重力补偿力系的计算 331

9.5.2 六轮车的单吊索重力补偿算例 333

9.5.3 车厢补偿力的施加 336

9.5.4 六轮车单索补偿的仿真验证 338

9.6 拉力系统设计与谐振抑制技术 341

9.6.1 总体设计 341

9.6.2 大跨度主梁纵向谐振的抑制技术 342

9.6.3 高频拉力扰动的被动响应技术 345

9.6.4 拉力系统控制策略 348

9.7 位置跟踪控制策略 349

9.7.1 总体设计 349

9.7.2 大惯量主梁的控制策略 350

9.8 单吊索重力补偿系统实验验证 351

9.8.1 拉力系统实验验证 351

9.8.2 位置系统实验验证 353

9.9 月球车运动性能实验 354

9.9.1 重力效应的验证 354

9.9.2 斜坡转向的轨迹 355

参考文献 357

索引 361