第 卷 第 期 计 算 机 仿 真 年 月 文 章 编 号 中 国 科 学 院 沈 阳 自 动 化 研 究 所 机 器 人 学 重 点 实 验 室 辽 宁 沈 阳 中 国 科 学 院 研 究 生 院 北 京 应 用 车 辆 地 面 力 学 理 论 研 究 滑 转 率 对 月 球 车 车 轮 挂 钩 牵 引 力 驱 动 效 率 以 及 功 率 消 耗 的 影 响 建 立 刚 性 车 轮 与 松 软 月 壤 交 互 作 用 的 动 力 学 模 型 通 过 实 例 对 月 球 车 车 轮 驱 动 动 力 学 特 性 进 行 仿 真 分 析 研 究 结 果 表 明 车 轮 的 挂 钩 牵 引 力 驱 动 效 率 以 及 驱 动 能 耗 均 受 到 车 轮 滑 转 率 的 制 约 存 在 一 个 最 优 的 滑 转 率 区 间 在 此 区 间 内 车 轮 可 获 得 较 大 的 挂 钩 牵 引 力 较 高 的 驱 动 效 率 以 及 较 低 的 驱 动 能 耗 求 取 轮 地 相 对 速 度 对 月 球 车 车 轮 的 地 面 摩 擦 力 功 率 进 行 了 估 算 月 球 车 滑 转 率 驱 动 效 率 驱 动 功 率 软 路 面 月 球 车 车 轮 与 松 软 月 壤 交 互 作 用 动 力 学 是 设 计 分 析 和 控 制 月 球 车 的 关 键 技 术 之 一 车 轮 在 松 软 的 月 壤 上 行 驶 月 壤 颗 粒 受 力 发 生 变 形 流 动 而 车 轮 产 生 滑 转 车 轮 滑 转 的 程 度 可 以 用 滑 转 率 来 定 量 地 描 述 滑 转 率 通 常 定 义 为 车 轮 的 相 对 速 度 与 切 向 速 度 的 比 其 变 化 范 围 在 之 间 在 月 球 车 结 构 物 理 特 性 以 及 月 面 环 境 确 定 的 情 况 下 月 球 车 车 轮 在 松 软 月 壤 上 行 驶 所 能 产 生 的 牵 引 力 驱 动 效 率 以 及 功 率 消 耗 将 主 要 决 定 于 车 轮 滑 转 率 研 究 车 轮 滑 转 率 对 月 球 车 车 轮 与 松 软 月 壤 相 互 作 用 动 力 学 特 性 的 影 响 是 探 测 车 设 计 的 基 础 目 前 国 内 外 的 学 者 在 这 方 面 已 经 做 基 金 项 目 中 国 科 学 院 方 向 性 预 先 研 究 资 助 项 目 收 稿 日 期 修 回 日 期 了 一 些 工 作 美 国 麻 省 理 工 学 院 的 等 人 提 出 了 刚 性 轮 在 松 软 土 壤 上 的 力 学 计 算 公 式 用 于 自 主 行 星 探 测 车 土 壤 参 数 的 在 线 估 计 日 本 东 北 大 学 的 等 以 及 加 拿 大 戴 尔 豪 西 大 学 的 等 分 别 对 松 软 土 壤 上 自 主 探 测 车 的 驱 动 力 进 行 了 试 验 研 究 但 上 述 文 献 均 没 有 对 月 球 车 车 轮 月 壤 的 驱 动 动 力 学 特 性 进 行 讨 论 哈 尔 滨 工 业 大 学 的 陶 建 国 等 基 于 模 型 的 地 面 力 学 理 论 分 析 了 车 轮 滑 转 率 及 结 构 参 数 变 化 对 月 球 车 车 轮 牵 引 力 及 驱 动 力 矩 的 影 响 但 没 有 进 一 步 研 究 月 球 车 车 轮 滑 转 率 对 驱 动 效 率 以 及 功 率 消 耗 的 影 响 而 驱 动 效 率 和 功 率 消 耗 对 于 在 外 太 空 自 主 运 行 的 无 人 探 测 车 而 言 是 非 常 重 要 的 本 文 在 等 人 提 出 的 刚 性 轮 在 松 软 土 壤 上 的 力 学 计 算 公 式 的 基 础 上 建 立 刚 性 车 轮 行 驶 动 力 学 模 型 通 过 实 例 计 算 分 析 滑 转 率 对 月 球 车 车 轮 挂 钩 牵 引 力 驱 动 效 率 以 及 功
率 消 耗 的 影 响 仿 真 分 析 结 果 可 用 于 指 导 月 球 车 行 走 系 统 的 合 理 设 计 月 球 车 车 轮 在 月 壤 上 的 运 动 属 于 刚 性 车 轮 与 松 软 路 面 相 互 作 用 的 情 形 受 力 情 况 如 图 所 示 图 中 为 车 体 施 加 给 车 轮 的 垂 直 轴 荷 为 挂 钩 牵 引 力 为 由 驱 动 器 施 加 在 车 轮 转 轴 上 的 扭 矩 车 轮 的 角 速 度 为 车 轮 转 轴 中 心 处 的 线 速 度 为 接 近 角 为 从 竖 直 位 置 到 车 轮 与 地 面 的 接 入 位 置 之 间 对 应 的 轮 心 角 离 去 角 为 从 竖 直 位 置 到 车 轮 离 开 地 面 位 置 之 间 对 应 的 轮 心 角 对 于 刚 性 车 轮 通 常 很 小 可 以 视 为 车 轮 与 月 壤 作 用 界 面 由 两 部 分 组 成 前 区 和 后 区 其 中 为 最 大 法 向 力 点 前 后 作 用 区 内 任 意 一 点 的 切 向 应 力 为 法 向 应 力 为 为 月 壤 后 弹 量 之 比 定 义 车 轮 滑 转 率 为 车 轮 的 相 对 速 度 与 切 向 速 度 式 中 为 车 轮 轴 的 理 论 速 度 度 为 车 轮 半 径 的 确 定 根 据 下 面 的 经 验 公 式 车 轮 加 速 时 为 车 轮 轴 的 实 际 移 动 速 式 中 为 与 月 壤 有 关 的 常 数 根 据 的 研 究 结 果 前 区 的 法 向 应 力 表 达 式 为 式 中 为 月 壤 粘 聚 模 量 为 月 壤 摩 擦 模 量 为 月 壤 变 形 指 数 为 车 轮 有 效 宽 度 后 区 的 法 向 应 力 表 达 式 为 切 向 应 力 由 公 式 计 算 式 中 为 月 壤 内 聚 力 为 月 壤 剪 切 变 形 模 量 摩 擦 角 直 方 向 为 月 壤 内 根 据 力 学 平 衡 关 系 可 建 立 单 个 车 轮 的 动 力 学 方 程 竖 水 平 方 向 式 中 对 车 轮 轴 取 矩 为 车 轮 质 量 且 Û Û 式 中 为 月 壤 施 加 给 车 轮 轮 缘 的 阻 力 矩 为 车 轮 转 动 惯 量 且 式 式 和 式 构 成 了 单 个 刚 性 车 轮 月 壤 驱 动 动 力 学 方 程 为 分 析 滑 转 率 对 月 球 车 车 轮 驱 动 动 力 学 特 性 的 影 响 本 文 结 合 实 际 研 制 的 月 球 车 进 行 计 算 分 析 计 算 用 到 的 月 壤 力 学 特 性 参 数 如 表 所 示 由 该 月 球 车 的 技 术 参 数 可 知 车 轮 的 名 义 线 速 度 车 轮 轴 负 荷 为 图 给 出 了 仿 真 计 算 流 程 其 中 为 给 定 的 误 差 的 初 始 值 由 下 式 确 定 式 中 为 车 轮 静 态 下 陷 量 挂 钩 牵 引 力 表 示 车 轮 牵 引 力 的 输 出 用 来 使 月 球 车 加 速 爬 坡 和 克 服 崎 岖 月 面 的 阻 力 驱 动 力 矩 表 示 电 机 对 车 轮 的 输 出 力 矩 由 式 可 知 车 轮 挂 钩 牵 引 力 和 驱 动 力 矩 与 月 球 车 车 轮 的 半 径 宽 度 等 结 构 参 数 及 滑 转 率 有 关 为 研 究 滑 转 率 对 车 轮 挂 钩 牵 引 力 和 驱 动 力 矩 的 影 响 考 察 车 轮 半 径 在 之 间 变 化 车 轮 宽 度 在 之 间 变 化 利 用 上 文 各 式 进 行 计 算 计 算 结 果 如 图 图 所 示
月 壤 粘 聚 模 量 月 壤 摩 擦 模 量 月 壤 剪 切 变 形 模 量 内 聚 力 内 摩 擦 角 月 壤 变 形 指 数 月 球 重 力 加 速 度 由 图 和 图 可 以 看 出 当 车 轮 的 负 荷 一 定 时 车 轮 以 一 定 速 度 行 驶 其 挂 钩 牵 引 力 随 滑 转 率 的 增 大 而 增 加 当 滑 转 率 较 低 时 随 着 车 轮 半 径 的 增 加 或 车 轮 宽 度 的 增 加 挂 钩 牵 引 力 降 低 但 影 响 不 大 当 滑 转 率 较 大 时 车 轮 半 径 和 车 轮 宽 度 的 增 加 都 会 使 挂 钩 牵 引 力 增 大 增 加 车 轮 半 径 相 对 于 增 加 车 轮 宽 度 会 更 有 效 地 增 大 挂 钩 牵 引 力 由 图 和 图 可 以 看 出 当 车 轮 的 负 荷 一 定 时 车 轮 以 一 定 速 度 行 驶 所 需 的 驱 动 力 矩 随 滑 转 率 的 增 大 而 增 加 车 轮 半 径 和 车 轮 宽 度 的 增 加 都 会 使 所 需 的 驱 动 力 矩 增 大 而 增 加 车 轮 半 径 相 对 于 增 加 车 轮 宽 度 会 更 显 著 地 增 大 所 需 的 驱 动 力 矩 由 于 月 球 车 的 车 载 能 源 有 限 电 池 的 容 量 小 比 能 量 低 所 以 月 球 车 在 续 驶 里 程 和 动 力 性 能 等 方 面 受 到 了 明 显 的 限 制 月 球 车 车 轮 驱 动 效 率 是 月 球 车 车 轮 驱 动 时 的 能 量 利 用 率 对 月 球 车 的 行 驶 性 能 能 量 消 耗 和 续 驶 里 程 有 较 大 的 影 响 因 此 提 高 月 球 车 车 轮 的 驱 动 效 率 以 使 有 限 车 载 能 量 得 到 充 分 利 用 从 而 提 高 月 球 车 的 续 驶 里 程 和 动 力 性 以 便 更 好 地 完 成 月 面 巡 视 任 务
驱 动 轮 在 松 软 的 月 壤 上 滚 动 时 车 轮 下 月 壤 的 切 向 变 形 流 动 使 车 轮 产 生 滑 转 下 陷 车 轮 和 月 壤 之 间 存 在 引 起 摩 擦 和 变 形 的 相 互 作 用 这 些 都 将 引 起 功 率 的 损 失 定 义 驱 动 轮 的 输 出 和 输 入 功 率 之 比 为 驱 动 效 率 则 有 式 中 挂 钩 牵 引 力 系 数 阻 力 矩 系 数 将 式 中 的 随 和 车 轮 半 径 车 轮 宽 度 变 化 关 系 绘 成 曲 线 示 于 图 图 由 图 和 图 可 以 看 出 当 车 轮 的 负 荷 一 定 时 车 轮 以 一 定 速 度 行 驶 在 一 定 范 围 内 适 当 地 增 加 滑 转 率 会 使 车 轮 的 驱 动 效 率 显 著 地 增 加 过 大 的 滑 转 率 会 使 车 轮 的 驱 动 效 率 迅 速 地 下 降 当 在 区 间 时 车 轮 驱 动 效 率 较 高 车 轮 的 驱 动 效 率 随 着 车 轮 半 径 的 增 大 会 显 著 地 提 高 而 受 车 轮 宽 度 的 变 化 影 响 较 小 将 式 改 写 为 式 中 定 义 为 功 率 系 数 图 和 图 给 出 了 与 的 关 系 曲 线 分 析 式 的 物 理 含 义 可 知 表 示 输 出 一 定 的 挂 钩 牵 引 力 车 轮 单 位 垂 直 负 荷 滚 过 单 位 距 离 所 需 的 能 量 由 图 和 图 并 对 比 图 和 图 可 见 负 荷 一 定 车 轮 以 一 定 速 度 行 驶 当 滑 转 率 大 于 时 功 率 损 失 将 会 急 剧 增 加 因 此 为 降 低 能 耗 应 尽 量 将 车 轮 的 滑 转 率 限 制 在 以 内 最 好 限 制 在 之 间 因 为 此 区 间 对 应 着 最 大 驱 动 效 率 如 图 图 增 大 车 轮 半 径 和 减 小 车 轮 宽 度 都 会 使 降 低 这 表 明 大 的 车 轮 半 径 和 小 的 车 轮 宽 度 会 使 驱 动 车 轮 所 需 的 功 率 降 低 在 月 球 车 行 驶 的 每 一 瞬 间 驱 动 电 机 发 出 的 功 率 始 终 等 于 机 械 传 动 损 失 功 率 与 全 部 运 动 阻 力 所 消 耗 的 功 率 月 球 车 在 行 驶 时 车 轮 与 月 壤 之 间 会 产 生 相 对 滑 动 车 轮 轮 缘 受 到 来 自 月 壤 的 与 车 轮 前 进 方 向 相 反 的 滑 动 摩 擦 力 该 滑 动 摩 擦 力 会 对 车 轮 做 负 功 该 负 功 将 由 车 轮 驱 动 电 机 发 出 的 功 率 来 补 偿 对 这 部 分 功 率 进 行 计 算 分 析 车 轮 缘 与 地 面 之 间 相 对 滑 转 速 度 为 车 轮 缘 与 地 面 之 间 的 滑 动 摩 擦 力 为 由 此 可 得 滑 动 摩 擦 力 功 率 为
在 车 轮 轴 荷 不 变 的 情 况 下 车 轮 滑 动 摩 擦 力 功 率 随 车 轮 滑 转 率 及 车 轮 名 义 速 度 的 变 化 关 系 如 图 所 示 由 图 可 见 当 车 轮 滑 转 率 小 于 时 滑 动 摩 擦 力 功 率 随 滑 转 率 的 增 加 而 平 缓 增 加 而 当 车 轮 滑 转 率 大 于 时 滑 动 摩 擦 力 功 率 随 滑 转 率 的 增 加 而 急 剧 增 加 为 功 率 平 衡 需 要 车 轮 驱 动 电 机 发 出 更 大 的 功 率 来 补 偿 当 滑 转 率 一 定 时 滑 动 摩 擦 力 功 率 与 车 轮 名 义 速 度 成 正 比 因 此 为 节 约 能 源 起 见 应 使 月 球 车 车 轮 的 滑 转 率 限 制 在 以 内 并 使 月 球 车 的 行 驶 速 度 处 于 较 低 的 水 平 月 球 车 车 轮 与 松 软 月 壤 交 互 作 用 的 动 力 学 特 性 特 别 是 月 球 车 车 轮 的 滑 转 率 对 月 球 车 的 牵 引 能 力 驱 动 效 率 以 及 功 率 消 耗 有 很 大 的 影 响 为 获 得 较 大 的 牵 引 力 较 高 的 驱 动 效 率 和 较 小 的 功 率 损 耗 在 车 轮 结 构 设 计 方 面 在 满 足 设 计 要 求 和 适 当 接 地 面 积 的 前 提 下 应 尽 可 能 使 车 轮 大 直 径 小 宽 度 在 月 球 车 行 驶 驱 动 控 制 方 面 应 将 车 轮 的 滑 转 率 限 制 在 一 个 适 当 的 区 间 如 当 车 轮 滑 转 率 大 于 这 个 区 间 的 值 时 尽 管 可 以 获 得 更 大 的 挂 钩 牵 引 力 但 其 代 价 是 大 大 增 加 了 驱 动 能 耗 显 著 降 低 驱 动 效 率 陶 建 国 等 月 球 车 车 轮 与 土 壤 相 互 作 用 的 力 学 特 性 分 析 机 械 设 计 与 制 造 张 克 健 车 辆 地 面 力 学 北 京 国 防 工 业 出 版 社 男 汉 族 辽 宁 葫 芦 岛 人 中 国 科 学 院 沈 阳 自 动 化 研 究 所 博 士 研 究 生 研 究 方 向 机 器 人 技 术 男 汉 族 辽 宁 沈 阳 人 中 国 科 学 院 沈 阳 自 动 化 研 究 所 研 究 员 博 士 生 导 师 研 究 方 向 机 器 人 机 构 学 特 种 机 器 人 及 机 电 一 体 化 技 术 男 汉 族 江 苏 扬 州 人 中 国 科 学 院 沈 阳 自 动 化 研 究 所 研 究 员 博 士 生 导 师 研 究 方 向 机 器 人 机 构 学 仿 生 机 器 人 并 联 机 器 人 和 新 型 结 构 数 控 机 床 先 进 制 造 装 备 的 基 础 理 论 和 应 用 系 统 研 究 与 开 发 万 昌 江 谭 建 荣 刘 振 宇 基 于 语 义 的 组 件 化 样 机 建 模 技 术 研 究 中 国 机 械 工 程 柴 旭 东 虚 拟 样 机 支 撑 环 境 及 其 关 键 技 术 的 研 究 北 京 航 空 航 天 大 学 黄 柯 棣 系 统 仿 真 技 术 长 沙 国 防 科 技 大 学 出 版 社 男 汉 族 山 东 日 照 人 博 士 工 程 师 从 事 分 布 式 仿 真 舰 船 动 力 系 统 仿 真 的 研 究 男 汉 族 湖 北 黄 冈 人 硕 士 研 究 员 从 事 舰 船 动 力 系 统 仿 真 的 研 究