月球车静力学分析及单轮实验装置的设计与研究

论文摘要

月球探测具有重大的经济和军事意义,世界上很多国家对此展开了深入的研究。进行月球着陆探测时,一辆性能优异的月球车是必不可少的装备。目前,国内一些高校和科研院所研制了多种不同的月球车原理样机,但由于在地球与月球在重力上的差别,使在地面进行的月球车相关实验与研究在准确性上有很大不足,为了能将整个研究工作置于系统和条理化的氛围,本文参考国外已有经验设计了的一种单轮气浮实验装置,该装置可以模拟月球上的实际重力,用来对月球车在月球上的实际工作状态进行模拟。基于前期课题研制的新构型月球车建立了月球车系统结构图,并建立了力学模型的坐标系以及坐标系之间的转化关系。随后采用牛顿-欧拉方法结合几何与速度约束、简易土壤力学模型、运动学关系等建立月球车运动仿真模型。然后建立月球车静力学模型,并基于静力学对月球车上台阶状态进行模拟仿真,得出数值计算结果。其中在月球车上台阶的仿真过程中在调整姿态角的前提下,对能量损耗进行初步研究。为了后期课题研究,设计一个单轮气浮实验装置,并在前期对该实验装置设计方案、实验方案及数据采集系统进行分析设计,随后进行了实验装置的整体结构设计,基于实验要求选择相关传感器、电机等外购件。并进行加工、装配。该实验装置为了实验所测数据的精度加入了包括竖直方向、水平方向的两处气浮轴承,同时加入抵消电气线、气源线等误差的伺服随动拖板。该装置可以较精确的测量和模拟月球车在实际执行任务中的各种情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 行星车仿真技术研究现状
• 1.3 车轮实验装置的研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 月球车力学建模及仿真
• 2.1 引言
• 2.2 月球车系统相关定义
• 2.3 月球车运动仿真建模
• 2.4 月球车静力学建模
• 2.5 月球车上台阶仿真
• 2.6 本章小结
• 第3章 单轮气浮实验装置的方案分析
• 3.1 引言
• 3.2 重点设计方案分析
• 3.2.1 整体方案分析
• 3.2.2 运动导向支撑机构的方案选择
• 3.2.3 伺服追踪系统的采用
• 3.2.4 配重机构的方案选择
• 3.3 实验方案的分析设计
• 3.3.1 车轮与土壤相互作用的力学特性实验
• 3.3.2 侧滑、空转、沉陷等研究
• 3.3.3 改善车轮牵引力能力的研究
• 3.3.4 各轮间各类相互影响的研究
• 3.3.5 车辆上台、越沟、通过障碍、爬坡的研究
• 3.4 电气系统的方案设计
• 3.4.1 数据采集及运动控制系统的设计
• 3.4.2 伺服跟踪系统的设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 单轮气浮实验装置的结构设计
• 4.1 引言
• 4.2 实验装置总体结构分析
• 4.3 单轮气浮实验装置的结构设计
• 4.3.1 车轮系统的结构设计
• 4.3.2 悬挂系统的结构设计
• 4.3.3 气体轴承的结构设计
• 4.3.4 总体结构设计
• 4.4 电机及传感器的选择
• 4.4.1 电机的选择
• 4.4.2 传感器的选择
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢