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火星车系统动力学建模与仿真分析

潘冬 李德伦 袁宝峰 贾阳 王瑞 张泽洲

潘冬, 李德伦, 袁宝峰, 贾阳, 王瑞, 张泽洲. 火星车系统动力学建模与仿真分析[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200032
引用本文: 潘冬, 李德伦, 袁宝峰, 贾阳, 王瑞, 张泽洲. 火星车系统动力学建模与仿真分析[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200032
PAN Dong, LI Delun, YUAN Baofeng, JIA Yang, WANG Rui, ZHANG Zezhou. Dynamics Modeling and Simulation Analysis of Mars Rover System[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200032
Citation: PAN Dong, LI Delun, YUAN Baofeng, JIA Yang, WANG Rui, ZHANG Zezhou. Dynamics Modeling and Simulation Analysis of Mars Rover System[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200032

火星车系统动力学建模与仿真分析

doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200032
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(61733001)
详细信息
    作者简介:

    潘冬(1984– ),男,高级工程师,主要研究方向:空间机器人动力学与控制。通讯地址:北京市海淀区友谊路104号中国空间技术研究院(100094)电话:(010)68113129 E-mail:pandonghit@163.com

  • ● The terrain environment of Mars is complex. ● Passive suspension Mars rover is easy to sink and difficult to climb;Active suspension Mars rover has the functions of wheel-lifting walking and peristaltic walking. ● Improve the trafficability of complex terrain environment. ● The surface environment of Mars cannot be simulated accurately. ● It is verified by simulation,provide reference for Chinese Mars rover application in orbit and troubleshooting.
  • 中图分类号: V19

Dynamics Modeling and Simulation Analysis of Mars Rover System

  • 摘要: 针对火星地形环境地面无法真实模拟,火星车功能性能地面验证不充分,尤其针对中国火星车采用主动悬架式移动系统,缺乏在轨使用经验的问题,建立了真实的火星车系统动力学模型。通过数学仿真手段对火星车不同地形下移动性能与策略进行了全面验证,仿真结果表明:通过车体升降和抬轮行走可有效提升火星车通过性能及故障容错能力,给出了地形环境、行走步态等对火星车性能的量化影响,结果可为中国火星车在轨应用以及故障处置提供参考。
    Highlights
    ● The terrain environment of Mars is complex. ● Passive suspension Mars rover is easy to sink and difficult to climb;Active suspension Mars rover has the functions of wheel-lifting walking and peristaltic walking. ● Improve the trafficability of complex terrain environment. ● The surface environment of Mars cannot be simulated accurately. ● It is verified by simulation,provide reference for Chinese Mars rover application in orbit and troubleshooting.
  • 图  1  主动悬架简图

    Fig.  1  Diagram of active suspension

    图  2  主动悬架和被动悬架比较示意图

    Fig.  2  Comparison between active and passive suspension

    图  3  火星车移动拓扑关系

    Fig.  3  Mars mobile system topology

    图  4  火星车动力学模型样机

    Fig.  4  Dynamic model prototype of Mars rover

    图  5  2 m半径行进间转向–车厢YZ位置

    Fig.  5  Steering position during travel

    图  6  车厢俯仰角

    Fig.  6  Elevation angle of carriage

    图  7  车厢前端离地间隙

    Fig.  7  Ground clearance of front end of carriage

    图  8  车厢后端离地间隙

    Fig.  8  Ground clearance of back end of carriage

    图  9  左侧主摇臂长臂驱动力矩

    Fig.  9  Driving force of left main long arm

    图  10  右侧主摇臂长臂驱动力矩

    Fig.  10  Driving force of right main long arm

    图  11  左侧主摇臂短臂驱动力矩

    Fig.  11  Driving force of left main short arm

    图  12  右侧主摇臂短臂驱动力矩

    Fig.  12  Driving force of right main short arm

    图  13  单侧悬架变形抬升前轮

    Fig.  13  Unilateral deformation Lifting front wheel walking

    图  14  双侧悬架变形抬升前轮

    Fig.  14  Both sides deformation Lifting front wheel walking

    图  15  单中轮抬升车厢俯仰角

    Fig.  15  Elevation angle of Lifting single middle wheel

    图  16  车厢前端离地间隙

    Fig.  16  Ground clearance of front end of carriage

    图  17  车厢后端离地间隙

    Fig.  17  Ground clearance of back end of carriage

    图  18  右侧主摇臂长臂驱动力矩

    Fig.  18  Driving force of right main long arm

    图  19  右侧主摇臂短臂驱动力矩

    Fig.  19  Driving force of right main short arm

    表  1  柔性件模态

    Table  1  Flexible part mode

    结构名称模态频率/Hz
    主摇臂长臂281.8/518.7
    主摇臂短臂831.7/841.6
    副摇臂736.8/759.0
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    表  2  车轮法向力

    Table  2  Normal force of wheel

    工况法向力/N
    ${F_{{\simfont\text{左前}}}}$${F_{{\simfont\text{左中}}}}$${F_{{\simfont\text{左后}}}}$${F_{{\simfont\text{右前}}}}$${F_{{\simfont\text{右中}}}}$${F_{{\simfont\text{右后}}}}$
    水平面159146142159146142
    前向坡60792526079252
    后向坡2501122725011227
    越障238320208238320208
    过坑231401209231401209
    最大值250401252250401252
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    表  3  车轮驱动力矩

    Table  3  Drive force of wheel

    工况驱动力矩/(Nm)
    ${T_{{\simfont\text{左前}}}}$${T_{{\simfont\text{左中}}}}$${T_{{\simfont\text{左后}}}}$${T_{{\simfont\text{右前}}}}$${T_{{\simfont\text{右中}}}}$${T_{{\simfont\text{右后}}}}$
    前向坡6101761017
    后向坡1813318133
    越障405030405030
    过坑345931345931
    最大值405931405931
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    表  4  夹角调整机构驱动力矩

    Table  4  Drive force of angle adjustment mechanism

    工况划分主摇臂力矩/(Nm)
    ${T_{{\simfont\text{左长}}}}$${T_{{\simfont\text{左短}}}}$${T_{{\simfont\text{右长}}}}$${T_{{\simfont\text{右短}}}}$
    水平地面下降至压紧1159611596
    抬升至极限144120144120
    前向坡下降至压紧6312363123
    抬升至极限7813978139
    后向坡下降至压紧1364413644
    抬升至极限1495314953
    侧向坡下降至压紧4326158143
    抬升至极限5943225205
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    表  5  夹角调整机构驱动力矩

    Table  5  Drive force of angle adjustment mechanism

    工况划分主摇臂力矩/(Nm)
    ${T_{{\simfont\text{左长}}}}$${T_{{\simfont\text{左短}}}}$${T_{{\simfont\text{右长}}}}$${T_{{\simfont\text{右短}}}}$
    单前轮抬升行走1139811397
    双前轮抬升行走1149911499
    单中轮抬升行走10682217192
    双中轮抬升行走204163204163
    单后轮抬升行走1161107548
    双后轮抬升行走75467546
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-03
  • 修回日期:  2020-08-01
  • 网络出版日期:  2021-01-06

火星车系统动力学建模与仿真分析

doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200032
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(61733001)
    作者简介:

    潘冬(1984– ),男,高级工程师,主要研究方向:空间机器人动力学与控制。通讯地址:北京市海淀区友谊路104号中国空间技术研究院(100094)电话:(010)68113129 E-mail:pandonghit@163.com

  • ● The terrain environment of Mars is complex. ● Passive suspension Mars rover is easy to sink and difficult to climb;Active suspension Mars rover has the functions of wheel-lifting walking and peristaltic walking. ● Improve the trafficability of complex terrain environment. ● The surface environment of Mars cannot be simulated accurately. ● It is verified by simulation,provide reference for Chinese Mars rover application in orbit and troubleshooting.
  • 中图分类号: V19

摘要: 针对火星地形环境地面无法真实模拟,火星车功能性能地面验证不充分,尤其针对中国火星车采用主动悬架式移动系统,缺乏在轨使用经验的问题,建立了真实的火星车系统动力学模型。通过数学仿真手段对火星车不同地形下移动性能与策略进行了全面验证,仿真结果表明:通过车体升降和抬轮行走可有效提升火星车通过性能及故障容错能力,给出了地形环境、行走步态等对火星车性能的量化影响,结果可为中国火星车在轨应用以及故障处置提供参考。

注释:
1)  ● The terrain environment of Mars is complex. ● Passive suspension Mars rover is easy to sink and difficult to climb;Active suspension Mars rover has the functions of wheel-lifting walking and peristaltic walking. ● Improve the trafficability of complex terrain environment. ● The surface environment of Mars cannot be simulated accurately. ● It is verified by simulation,provide reference for Chinese Mars rover application in orbit and troubleshooting.

English Abstract

潘冬, 李德伦, 袁宝峰, 贾阳, 王瑞, 张泽洲. 火星车系统动力学建模与仿真分析[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200032
引用本文: 潘冬, 李德伦, 袁宝峰, 贾阳, 王瑞, 张泽洲. 火星车系统动力学建模与仿真分析[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200032
PAN Dong, LI Delun, YUAN Baofeng, JIA Yang, WANG Rui, ZHANG Zezhou. Dynamics Modeling and Simulation Analysis of Mars Rover System[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200032
Citation: PAN Dong, LI Delun, YUAN Baofeng, JIA Yang, WANG Rui, ZHANG Zezhou. Dynamics Modeling and Simulation Analysis of Mars Rover System[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200032
参考文献 (13)

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