高海波，范雪兵,2，邓宗全，丁　亮，刘　振

(1. 哈尔滨工业大学 宇航空间机构及控制研究中心，哈尔滨 150001；2. 东北电力大学 机械工程学院，吉林 132012)



可折展载人月球车移动性能仿真与试验分析

高海波1，范雪兵1,2，邓宗全1，丁亮1，刘振1

(1. 哈尔滨工业大学 宇航空间机构及控制研究中心，哈尔滨 150001；2. 东北电力大学 机械工程学院，吉林 132012)

摘要:为更加有效地研究载人月球车移动系统低重力环境下的移动性能，建立了载人月球车仿真模型，并对地月两种不同重力环境下的移动性能进行了仿真对比分析，在地面重力条件下极限越障高度明显降低。轮地相关参数不变，仅改变重力加速度，仿真得到载人月球车移动系统地面重力下最大可爬坡角度小于月面重力下可爬越最大坡角。同一越障高度，土壤相关参数一致，重力加速度不同的情况下，地面重力条件下移动系统质心加速度明显大于月面重力条件下的质心加速度值。在移动性能仿真分析基础上，对可折展载人月球车移动系统地面原理样机进行了搭建，在保证地月不同重力环境下车轮及悬架承受的有效载荷一致的前提下，在地面重力条件下，利用实验室松散沙土模拟月壤进行了越障和爬坡等通过性能试验，验证了所设计的移动系统满足设计约束要求，为后续载人移动系统的深入设计奠定了基础。

关键词:可折展载人月球车；移动性能；仿真分析；性能试验

1引言

随着无人探月工程的深入及载人探月工程的逐步启动，载人月球车作为航天员登陆月球有效完成探测任务的主要媒介和工具，其相关理论、研制以及相关试验研究已十分必要[1-4]。载人月球车需要由着陆位置克服各种障碍到达探测地点，完成相关探测任务。月表地形复杂，石块、环形坑和斜坡等形态尺寸各异的未知地形广泛分布，对载人月球车的移动性能提出了挑战[5-6]。

载人月球车除满足适应月面非结构化环境、功耗低、驱动力大等无人月球车的要求外，还要满足大载荷、具有较高的时速及航天员乘坐舒适性等多方面要求，与无人车在设计理论及方法上存在较大差异。为了更加有效地对载人月球车原理样机的移动性能进行分析，首先搭建载人月球车移动系统，然后建立模拟月壤上载人月球车仿真模型[7-10]，对其移动性能进行仿真分析，并对不同重力条件下的性能进行对比分析。在移动性能仿真基础上，在地面重力条件下，利用实验室松散沙土模拟月壤进行平地、转向、越障和爬坡等通过性能试验，为后续设计奠定基础。

本文所研究的载人月球车移动系统具有可折展的功能，以减小储运过程中所占用的包络空间。折展过程如图1(a)所示，整备和折叠状态分别如(b)和(c)所示。

图1　载人月球车移动系统折展功能实现Fig.1　Deployment of the manned lunar vehicle locomotion system

2载人月球车移动性能仿真分析

载人月球车移动系统仿真模型的建立主要是为了探讨载人月球车虚拟环境仿真参数的合理设置问题[11]，以解决月表地形环境的描述以及虚拟环境中月表地形的合理建模，从而使仿真结果能够真实地反映载人月球车的移动性能。

2.1仿真相关参数设置

月表地形主要分为三类：一是连续分布地形，在一定范围内保持地貌特征的一致性，如平坦的月海地形和连续的山脉等；二是离散分布地形，在一定范围内保持地貌特征变化多样，由坡道、岩石和冲击坑等地形组合而成；三是随机分布地形，无规律可循。月表探测区域内的地形主要通过卫星航拍来确定，着陆时往往选择月表相对较平坦的区域作为载人月球车的着陆位置[11]。故在针对载人月球车原理样机移动性能仿真分析时，仅针对前两种典型的结构化地形进行分析。

载人月球车移动性能仿真主要包括爬坡性能和越障性能仿真及分析。在不改变土壤参数的前提下，在地月不同重力加速度条件下，分别进行载人月球车移动系统爬坡性能和越障性能仿真，并对质心高度等进行比较，为地面重力条件原理样机的移动性能试验提供参考[12-15]。

2.2爬坡性能仿真

月面环境下载人月球车移动系统爬坡仿真过程[16-17]如图2所示。载人月球车车轮滑转率[8,13]如图3所示，在移动系统爬坡过程中，滑转率呈不断上升趋势，两前轮滑转率变化基本保持一致，两后轮滑转率变化基本保持一致，两前轮与两后轮滑转率的差异出现在爬坡阶段，且两后轮的滑转率要低于两前轮，在载人月球车成功爬上斜坡后，四个车轮滑转率变化又呈现一致上升的趋势。

图2　载人月球车移动系统爬坡仿真过程Fig.2　Simulation of slope climbing of the manned lunar vehicle locomotion syste

图3　载人月球车移动系统爬坡车轮滑转率Fig.3　Slip ratio of wheels for slope climbing of the manned lunar vehicle locomotion system

改变坡角并对载人月球车移动系统质心高度变化进行比较，如图4(a)所示，图中曲线1和2分别对应坡角为20°和23°，曲线3对应坡角为25°。前两次载人月球车移动系统爬上了斜坡并可运行一段距离，而第三次移动系统两后轮爬上斜坡后出现滑转现象，移动系统不再沿坡面行进，故质心位置基本保持不变。轮地相关参数不变[10-11]，仅改变重力加速度，仿真得到载人月球车移动系统最大可爬坡角度约为21°，如图4(b)，小于月面重力条件可爬越最大坡角。

图4　载人月球车移动系统爬坡质心高度变化Fig.4　Changes of COM height of the manned lunar vehicle locomotion system during slop climbing

2.3越障性能仿真

在月面环境下越障对于载人月球车移动系统来说具有挑战性。仿真时除采用月面重力外，其余轮地相关参数设置依据月面条件给出。图5所示为载人月球车移动系统越障仿真过程。

图5　载人月球车移动系统越障仿真过程Fig.5　Simulation of obstacle crossing of the manned lunar vehicle locomotion system

对不同越障高度进行仿真，可得到图6所示载人月球车移动系统质心高度在越障过程中随时间的变化情况。

图6　月面重力移动系统越障仿真质心高度变化Fig.6　Changes of COM height of the locomotion system during obstacle crossing in lunar gravity

图6中的四条曲线分别对应载人月球车移动系统越障高度，分别为250 mm、270 mm、280 mm和290 mm。曲线1、2和3中形成的第一次波峰是由载人月球车两前轮越障对质心高度的影响造成的，第二次波峰是由载人月球车两后轮越障对质心高度的影响造成的。越障后，随时间延续质心趋于稳定状态。曲线4中载人月球车质心位置除有小幅波动外，始终处于较低位置，仿真过程中移动系统两前轮试图翻越障碍未成功，但对质心位置仍有所影响，故对于越障高度290 mm，载人月球车移动系统在月面条件下越障未成功，但仍较好地完成了设计任务。

比较图6和图7可知，在地面重力条件下极限越障高度明显降低。

图7　地面重力载人月球车移动系统越障仿真质心高度变化Fig.7　Changes of COM height during the obstacle crossing simulation of the manned lunar vehicle locomotion system in earth gravity

图8中的两条曲线为同一越障高度，土壤相关参数一致，重力加速度不同的情况下，载人月球车质心加速度的对比情况，地面重力条件下质心加速度明显大于月面重力条件下的质心加速度值。在月面重力条件下，载人月球车移动系统通过250 mm越障高度时，四个车轮动量变化如图9所示，两前轮变化趋势相似，两后轮变化趋势相似，两后轮变化峰值滞后于两前轮，这与越障过程相一致，并且两后轮越障时的动量变化明显大于两前轮的动量变化。

图8　地月不同重力条件下移动系统越障时质心加速度变化情况Fig.8　Changes of COM acceleration of the locomotion system during obstacle crossing in lunar or earth gravity

图9　月面重力载人月球车移动系统车轮动量变化Fig.9　Changes of wheel translational momentum of the manned lunar vehicle locomotion system in lunar gravity

3地面重力条件载人月球车移动性能试验研究

这里研制的载人月球车移动系统，外形展开尺寸与地面车辆底盘相仿，搭建低重力模拟试验室不易于实现，故可利用改变地面重力条件下移动系统有效载荷的方法，与月面条件下相应工况进行等效，来验证移动系统低重力环境的相关移动性能。

利用载人月球车移动系统原理样机进行了室外模拟月壤水平移动性能相关实验、转向实验。在移动性能仿真的基础上，进行了爬坡、越障等移动性能实验。

载人月球车移动系统相关参数及约束条件如下：

1) 移动系统外形包络尺寸约束 载人月球车外形包络尺寸受三个方面限制：其一是要考虑月球车移动系统各子系统结构要求的限制；其二是登月舱中载人月球车存储位置的限制，其三是月地特殊的地形条件的影响。展开状态外形尺寸：小于3100 mm×2100 mm×1200 mm。

2) 移动系统质量和承载能力约束 月球车自重(不含有效载荷)：200 kg；承载能力(含航天员和样品)：500 kg；乘员数量： 2名航天员。

3) 移动系统性能约束 最小转弯半径：不小于3 m；越障能力：可以翻越高25 cm，宽50 cm的障碍；平地上的最小离地距离：35 cm；满载爬坡能力：不小于21°；空车稳定性：前向和左右向40°停车不会翻倒；悬架具有折展功能。

越障能力、平地上的最小离地距离、满载爬坡能力、满载驻车坡度及空车稳定性可由月面地形以及载人月球车地面通过性、越障能力、行驶稳定性等来确定。

3.1室外模拟月壤水平移动性能相关实验

实验前利用测力计对装有不同载荷的木箱在沙地产生的水平动摩擦力进行测量，利用牵拉装置连接载人月球车移动系统与装有定量载荷的木箱相连接，以产生可控的水平拖拽力。移动系统的驱动电机转速为定量，改变水平拖拽力，使载人月球车移动系统在水平沙地按直线行走，测量并记录通过固定距离的时间不同拖拽力对车轮滑转率的影响如图10所示，随拖拽力增加，车轮滑转率呈现不断增大的趋势。

图10　不同拖拽力整车移动系统水平移动性能实验Fig.10　Ground moving performance test at different driven velocity for the manned lunar vehicle

3.2载人月球车爬坡试验

基于爬坡性能仿真，地面重力条件下载人月球车移动系统应能爬越不小于21°的斜坡。图11为载人月球车移动系统车爬坡过程，试验结果表明，移动系统可满足设计指标。

图11　载人月球车移动系统爬坡试验Fig.11　Gradeabiligy experiment of the locomotion system of the manned lunar vehicle

3.3载人月球车越障试验

依据仿真结果，地面重力条件下载人月球车移动系统可越过高25 mm、宽50 mm的障碍，越障过程如图12所示。

图12　载人月球车移动系统越障试验过程Fig.12　Obstacle crossing experiment of the locomotion system of the manned lunar vehicle

4结论

通过对载人月球车爬坡性能和越障性能进行仿真分析，对不同坡角、不同障碍高度载人月球车移动系统质心变化情况进行分析可知：两种重力条件下的极限越障高度相比地面重力条件下极限越障高度明显降低。

轮地相关参数不变，仅改变重力加速度，仿真得到载人月球车移动系统地面重力条件下最大可爬坡角度小于月面重力条件可爬越最大坡角。

同一越障高度，土壤相关参数一致，重力加速度不同的情况下，地面重力条件下载人月球车质心加速度明显大于月面重力条件下的质心加速度值。

在地面重力条件下利用室外模拟月壤进行了平地移动性能和通过性能试验，对地面重力条件下越障、纵向爬坡仿真数据进行了试验验证，仿真结果合理，载人月球车移动性能能够满足设计要求。

因此，对于移动系统体积、质量等无法实现低重力模拟试验条件搭建时，可利用本文所提供的试验方法，进行移动系统的性能分析和验证，但移动的有效载荷要进行合理设置，以保证车轮及悬架等的动力学相关参数与低重力环境相一致。

参考文献(References)

[1]邓宗全, 范雪兵, 高海波, 等. 载人月球车移动系统综述及关键技术分析[J]. 宇航学报, 2012, 33(6): 675-689.

Deng Zongquan, Fan Xuebing, Gao Haibo, et al. Overview and key technologies for locomotive system of manned lunar rovers[J]. Journal of Astronautics, 2012, 33(6): 675-689.(in Chinese)

[2]李舜酩, 廖庆斌. 星球探测车的研发状况综述[J]. 航空制造技术, 2006(11): 68-71.

Li Shunming, Liao Qingbin. Overview of the planet rover[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2006(11): 68-71.(in Chinese)

[3]韩鸿硕, 蒋宇平. 各国登月计划及载人登月的目的与可行性简析(上)(下)[J]. 中国航天, 2008(9): 30-33.

Han Hongshuo, Jiang Yuping. Foreign lunar landing missions and the aims and feasibility of manned lunar landing(Part 1&2)[J]. Aerospace China, 2008(9): 30-33.(in Chinese)

[4]Yim Shing-Yik, Gong Shengping, Baoyin Hexi, et al. Current development of manned lunar landing[C]//IAC, 63rd Proceedings of the International Astronautical Congress, 2012.

[5]Giancarlo G. Vehicles for robotic and manned planetary exploration[C]//Valencia, Spain, 57th International Astronautical Congress,2006.

[6]Bekker M G. Introduction to Terrain-vehicle Systems[M]. University of Michigan Press, 1969: 22-79.

[7]Wong J Y, Reece A R. Prediction of rigid wheel performance based on the analysis of soil-wheel stresses[J]. Journal of Terramechanics, 1967, 4(1): 81-89.

[8]丁亮. 月/星球车轮地作用地面力学模型及其应用研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2009.

Ding Liang. Wheel-soil Interaction Terramechanics for Lunar/Planetary Exploration Rovers: Modeling and Application[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2009.(in Chinese)

[9]陶建国, 胡明, 高海波, 等. 月球车刚性车轮与土壤相互作用的力学模型与测试[J]. 空间科学学报, 2008, 28(4): 340-344.

Tao Jianguo, Hu Ming, Gao Haibo, et al. Modeling and measurement of rigid wheel-soil interaction on a lunar rover[J]. Chinese Journal Space Science, 2008, 28(4): 340-344.(in Chinese)

[10]刘吉成. 月球车车轮驱动性能及其综合评价的研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2009.

Liu Jicheng. Research on Driving Performance and Comprehensive Evaluation of the Lunar Rover Wheels[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2009.(in Chinese)

[11]张朋. 月球车移动系统构型综合与ALR原理样机的研制[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2009.

Zhang Peng. Research on configuration Synthesis of Lunar Rover Locomotion System and Development of ALR Principle Prototype[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2009.(in Chinese)

[12]Janosi Z, Hanamoto B. Analytical determination of drawbar pull as a function of slip for tracked vehicle in deformable soils[C]//Proceedings of the 1st International Conference of ISTVES, Torino, Italy, 1961: 707-726.

[13]余志生. 汽车理论[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009: 263-269.

Yu Zhisheng. Vehicle dynamics[M]. Beijing: China Machine Press, 2009: 263-269.(in Chinese)

[14]杰姆尔德日安 A Л, 格罗莫夫 B B, 卡茹卡罗 И Ф, 等. 星球车[M]. 马菊红, 冯治, 译. 北京: 中国宇航出版社, 2011: 305-309.

Kemurdzhian A, Gromov B, Kemurdzhian M, et al. Planet Rover[M]. MA Juhong, FENG Zhi, translate.Beijing: China Astronautic Publishing House, 2011: 305-309.(in Chinese)

[15]Zongquan Deng, Xuebing Fan, Haibo Gao, et al. Influence analysis of terramechanics on conceptual design of manned lunar[C]//Harbin, China, 2011 International Conference on Electronic and Mechanical Engineering and Information Technology, 2011.

[16]范雪兵, 邓宗全, 高海波, 等. 载人月球车金属弹性筛网轮设计与分析[J]. 宇航学报, 2014, 35(2):235-244.

Deng Zongquan, Fan Xuebing, Gao Haibo, et al. Design & analysis of flexible wire mesh tire for manned lunar roving vehicle[J]. Journal of Astronautics, 2014, 35(2):235-244.(in Chinese)

[17]范雪兵. 载人月球车悬架与车轮结构设计及性能研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015.

Fan Xuebing. Structure Design and Performance Research on Suspension and Wheel for Manned Lunar Vehicle[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2015.(in Chinese)

Simulation and Experiments Analysis of Mobility Performance in Deployable Manned Lunar Vehicle

GAO Haibo1, FAN Xuebing1, 2, DENG Zongquan1, DING Liang1, LIU Zhen1

(1.Research Center of Aerospace Mechanism and Control, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2. School of Mechanical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China)

Abstract:For effective research on mobility performance of deployable manned lunar vehicle at low gravity, the deployable locomotion system and the simulation models on mock lunar soil were built. The mobility performance was simulated and the mobility performance on lunar surface or on earth were compared. The maximum obstacle height in earth gravity decreased significantly. When other relevant parameters unchanged, the maximum gradability on earth was less than that on the lunar surface. With the same obstacle height and soil parameters and different gravities, the Center of Mass(COM) acceleration of the manned lunar vehicle on earth was significantly greater than that on the moon. On the basis of the simulation analysis, the prototype of the lunar vehicle on earth was built. Then related trafficability experiments such as gradeability and obstacle crossing etc were carried out on mock lunar soil on earth for the manned lunar vehicle ensuring that the wheels and suspensions were under the same payload. It is verified that the locomotion system of the deployable manned lunar vehicle discussed in this paper could meet the requirements of the design constraints. This provides a technical basis for the further research of the manned lunar rover

Key words:deployable manned lunar vehicle; mobility performance; simulation analysis; performance experiments

收稿日期：2015-11-16；修回日期：2016-04-12

基金项目：国家自然科学基金(50975059/61005080)；哈尔滨工业大学宇航机构及控制技术重点学科实验室开放基金课题(HIT.KLOF.2009061)；科技部-国际科技合作项目(2010DFR70270)；“111”创新引智计划(B07018)

作者简介：高海波(1970-)，男，博士，教授，研究方向为宇航空间机构。E-mail：Gaohaibo@hit.edu.cn

中图分类号：V476.3

文献标识码：A

文章编号：1674-5825(2016)03-0323-05