马传帅 文桂林 钟志华 金秋谈 程 栋 周景宇

1.汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082

2.湖南大学,长沙,410082

主动摆臂四轮菱形月球车移动系统越障性能分析与优化

马传帅1文桂林1钟志华1金秋谈1程 栋2周景宇1

1.汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082

2.湖南大学,长沙,410082

提出了一种用于月球车的主被动结合的摇臂式移动系统。该移动系统将四个主动摆臂和一个被动连接铰整合在一起,从而提高了越障性能。建立了越障性能的力学判断准则,并利用此准则对移动系统的越障性能进行了分析;考虑主动摆臂的可调整性能,研究了主动摆臂对移动系统越障性能的影响,并基于遗传算法对越障性能进行了优化。对摆臂角度优化的结果表明,主动摆臂可以显著提高移动系统在恶劣环境下的越障性能。

主动摆臂;越障性能;月球车;优化;判断准则

0 引言

随着21世纪人类再次掀起月球探测的高潮,新型月球车的开发受到了越来越广泛的关注[1-4]。Takashi等[1]在2003年提出了一种新型的PEGASUS移动系统,而且对整车越障的原理进行了分析。Thueer等[2]在2007年研发了RCL-E移动系统并建立了动力学模型,利用此模型对其VCV性能进行了研究。Bauer等[3]在2008年提出了RCAST移动系统并研究了车轮的牵引性能。Chen等[4]在2009年利用演化方法在摇臂-转向架悬架系统的基础上开发了ORF-L移动系统。

移动系统作为月球车的重要组成部分,必须具备扩展月面探测范围、克服恶劣行驶环境的能力。考虑到月面的凹凸不平和存在大量石块的情况,月球车悬架系统在行驶时必需具有良好的越障性能。很多学者针对不同的障碍,提出了不同的判断准则[5-6]。有些判断准则建立在越障高度与地面附着系数的关系基础上[5];还有一些学者采用了地面对车轮提供的有效牵引力来作为车辆越障性能的判断准则[6]。但这些工作没有考虑到车辆在攀爬的过程中需要路面实时提供的最小附着力。

本文介绍了一种新型的月球车移动系统。此移动系统因为集成了主动摆臂和被动连接铰特点,故在性能上具有被动适应和主动控制的双重优点。为了分析本移动系统的越障性能,基于准静态方法提出了本移动系统越障性能的力学判断准则。利用此判断准则,分析和优化了主动摆臂对移动系统越障性能的影响。

1 移动系统机构原理和几何尺寸

图1 主动摆臂四轮菱形月球车及移动系统结构

主动摆臂四轮菱形月球车移动系统的四轮按照菱形布置。4个车轮均为主动轮,可独立驱动,如图1所示。其中前主动轮、左主动轮和右主动轮通过摆臂机构与前车架构成三角形整体结构,此三角形整体结构与后车架铰接,后主动轮与后车架通过后摆臂连接。前后车架通过电磁制动器来控制车架的主被动特性。月球车正常行驶情况下,各摆臂始终垂直于水平地面,摆臂锁止。当在普通路面行驶时,电磁制动器断电打开,此时前后车架分离,悬架系统表现出路面被动自适应特性,在一般的不规则路面上,可以保证车轮随时与地面接触。注意到,四轮菱形布置的特点是任意三轮接地点都构成三角形,而且通过中间两轮的摆臂和前后轮的转向,可以调整前、后、左、右三角形的接地面积。所以,当出现较宽沟壕或较高的垂直障碍等情况时,通过电磁制动器通电闭合而取消铰接功能,使前后车架合并为一个刚性整体,此时,可通过主动摆臂使重心依次在所期望的任意三个车轮的接地点构成的三角形内,实现重心相对转移(注:不是改变重心位置),从而提高越野性能,包括跨过宽于车轮直径的沟壕和攀越高于车轮半径的垂直陡壁等障碍。

在整个移动系统结构尺寸的设计上,首先保证整车的重心在整车的几何中心轴线上。正常行驶状态时,在保证四轮接地的情况下,应尽量保证各轮平均分担整车的载荷,也就是说,在静止状态时,整车的结构设计要求理论上实现四轮对地面产生相同的压力。因此,对主动摆臂四轮菱形月球车移动系统结构设计如下:设前后轴距为L,重心在整车的几何中心,l1=L/3,l2=L/6,l3=L/2。

月球车移动系统采用菱形布置的特点为:①四轮三轴且独立驱动,越野性能好,通过能力强;②底盘菱形布置,转弯半径小,前后轮转向,转向灵活,可协调性强;③车轮数量少,结构简单,轻量化程度高;④由于加入了主动摆臂机构,悬架结构还存在可调整的特点,可以有效提高在苛刻环境中的逃逸能力。

2 运动学分析

由前面对移动系统的原理分析可知,此移动系统的4个摆臂均是独立的,并可以在一定范围内通过电机控制实现转动或锁止。摆臂之后,其几何关系产生了变化,对整车的移动性能也将产生影响,所以非常有必要对其运动学进行分析。

2.1 几何关系初始化

由于月球车在翻越台阶式障碍时其几何形状是对称性的,故移动系统的几何关系可转化为二维问题进行分析(图2)。

图2中,Joij为移动系统摆臂后第i铰接点的坐标向量;Joil为移动系统摆臂前第i铰接点的坐标向量,i=0,1,2,3;Wopj为移动系统摆臂后第p轮心坐标向量;Wop l为移动系统摆臂前第p轮心坐标向量,p=1,2,3;goj为摆臂后的质心坐标向量;gol为摆臂前的质心坐标向量。

为了分析摆臂对几何关系的影响,定义o(x0,y0)为局部坐标系的原点,各摆臂逆时针方向为正,顺时针方向为负。各轮轴心相对于此局部坐标系的关系如下:

图2 移动系统几何关系示意图

由于铰接点0、铰接点1和铰接点2在同一部件上,所以矩阵存在关系:

另外,在月球车行驶过程中,车速很慢[7-8],所以可假定车轮时刻与路面接触,即可得到如下的约束条件:

根据式(3)与式(1)可求出σ和ζ,从而求出摆臂后各个关键点(如铰接点和轮心)的坐标。

2.2 越障过程运动学关系

本文将月球车越障过程分为三个步骤,如图3所示。每个步骤中移动系统的运动学关系会发生变化,所以需要建立满足各个步骤的运动学模型。

图3中,(xq,yq)为各关键点在全局坐标系中的坐标,其中q=0,1,2,3,4;Fp=μNp,表示第p个轮的牵引力;Mp=μN p r,表示第p个轮的输出转矩;Np是第p个轮的地面支持力;μ为越障时地面需要提供的附着系数;r为车轮半径;hmn和lmn分别是从关键点m到关键点n的垂直距离和水平距离,且hmn=yn-ym,lmn=xn-xm;其中m,n=0,1,2,3,4。

式中,Jij为越障过程中第i铰接点的坐标向量;Jijx、Jijy分别为越障过程中第i铰接点的x坐标和y坐标;Jilx、Jily分别为第i铰接点初始化之后的x坐标和y坐标;Wpj为越障过程中第p轮心坐标向量;Wpjx、Wpjy分别为越障过程中第p轮心的x坐标和y坐标;Wplx、Wply分别为初始化后第p 轮心的 x坐标和y 坐标;DJ1W1、DJ0W1、DJ2W1、DJ3J0、DW2W1、DW3J0分别为位移变换矩阵。

式中,λ为前车架的转动角度;ε为后车架的转动角度。

图3 移动系统越障过程力学模型

因为前车架可看成一个整体,所以前车架上各关键点的位移变化矩阵存在如下的关系:

同理,后车架上各关键点的位移变化矩阵存在如下关系:

3 系统越障性能分析

当驱动电机提供的动力足够时,其主要的影响因素是地面与车轮间的附着系数。在不同的时间段整个系统保持动平衡需要的附着系数不同,所以只有研究车轮越障整个过程的附着系数才能对其越障过程进行分析。

3.1 移动系统准静态力学关系

假定障碍和路面的附着系数相同,根据力学平衡关系式可得到各车轮在不同高度(h)位置保持静平衡时需要的附着系数。

根据准静平衡条件可得

式中,Gw为车轮重量;G为有效载荷的重量;θ为障碍物倾角。

3.2 越障性能判断准则

由于月球车移动系统的行驶速度一般很慢[8-9],所以其越障过程可以看成准静态问题[7,10]。车轮在障碍物上逐渐上升的过程中,整个系统保持静平衡的条件将会不同。再结合前面的分析可知,本移动系统在越障过程中所需要的路面附着系数μ受到车轮高度h,台阶高度H和各摆臂摆角(α,β,γ)等因素的影响,因此,其方程可表示为

当台阶的高度一定,移动系统的前摆臂、中摆臂和后摆臂角度保持不变时,车轮越障能力主要由移动系统的车轮在不同高度时需要地面提供的最大附着系数决定,即

对于整个移动系统越障,其越障性能主要由前轮、中轮和后轮均越过障碍所需要的附着系数决定 。即

其中,μc越大,表示移动系统越障需要的路面附着系数越大,移动系统越难越过障碍。所以对于主动摆臂四轮菱形月球车移动系统来说,越障过程中μc的值越小,则越障性能越好;反之,则越差。

3.3 正常姿态下移动系统越障性能

移动系统在正常姿态下(α=0,β=0,γ=0),其越障过程中车轮高度不同时,对车轮与地面的附着力的要求是不同的,因此需要分析h和H对μ的影响,如图4所示。

图4 移动系统越障性能分析

从图4a可以看出在前轮越障时,当台阶高度小于车轮半径时,车轮需要地面的附着系数随着车轮高度增加而减小;当台阶高度大于车轮半径时,车轮越障需要的最大附着系数均出现在初始爬升时,其需要的值相同。这主要是因为台阶高度大于车轮半径时,障碍与车轮的作用力方向和作用位置相同,所以整个系统保持静态平衡,需要的附着力相同。从图4b可以看出,中轮越障时的地面附着系数的变化趋势与前轮越障相同,原因也相同。而从图4c可以看出当台阶高度小于车轮半径时,后轮越障需要的地面附着系数随着车轮高度增加而减小。当台阶高度大于车轮半径时,后轮越障需要的地面附着系数随着车轮高度的增加而增大。当轮心位置与台阶高度平行以后,后轮越障需要的地面附着系数随车轮高度增加而减小。

通过上面的分析可以看出,本移动系统的越障性能判断准则可以写成以下形式:

4 主动摆臂对移动系统越障性能的影响及优化

4.1 摆臂角度对移动系统越障性能的影响分析

若移动系统不存在摆臂机构,在车辆的尺寸和重量一定的情况下,外部环境一定时,则整车的越障性能也将固定,不能根据外部环境作出调整。由于主动摆臂具有摆动功能,故可以调整车轮之间的轮距和关键点之间的位置关系,从而调整重心在前轮、中轮和后轮之间的相对分布位置,改变整车的越障性能。由于每个车轮越障时需要的附着系数是不同的(图4),通过摆臂调整轮距、质心高度以及铰接点间的水平和垂直距离,可以使每个越障阶段需要的路面附着系数减小,进而可以提高系统的越障性能。

因部分月面石块的高度大于车轮半径,为了研究移动系统在恶劣环境的越障性能,结合月面岩石统计数据,障碍的高度 H定为25cm。根据式(11),针对新开发的月球车物理样机,对单个摆臂对移动系统的越障性能的影响进行了分析,如图5所示。主动摆臂的角度范围受到机构设计的限制 ,均选在区间[-30°,30°]内。因此,移动系统越障时需要的路面附着力可以表示为附着系数与摆臂角度的关系,即

图5 各摆臂对移动系统越障性能的影响

从图5a可以看出前摆臂角度对前轮越障具有较大的影响。当前摆臂角度为-25.8°时,整个移动系统越过25cm障碍需要的路面附着系数最小,为0.638。由图5b可以看出整个移动系统的越障性能是由前轮越障和中轮越障共同决定的。当中轮摆臂角度为17.9°时,移动系统越障需要的路面附着系数最小,为0.53。由图5c可以看出当后轮摆臂角度为-20°时,移动系统的越障性能最强,需要的路面附着系数为0.505。

从上面的分析可以看出,就新研制的移动系统物理样机来说,主动摆臂对其的越障性能具有重要的影响,通过摆臂可以很大程度的提高移动系统的越障性能。

4.2 移动系统越障性能优化

通过分析单个摆臂对移动系统越障性能的影响可知,主动摆臂对移动系统的越障性能有很大的作用。实际工程中,可以通过同时调整三个主动摆臂来更大程度地提高移动系统的越障性能。但由于移动系统越障需要的路面附着系数受到三个因素(α,β,γ)的影响,影响因素较多,使得在给定区域内很难找到最优的越障方案。遗传算法作为一个成熟的搜索算法被广泛应用于机械工程领域[11-12]。本文采用此算法在给定的区域内进行搜索,从而对移动系统的越障性能进行优化。

基于式(11)和式(12)可得到优化数学模型:

从图6可以看出,通过50次迭代得到最小路面附着系数为0.48。而在无主动摆臂的正常状态时,行驶系统越障需要的路面附着系数为0.638。由此可以看出移动系统的越障性能得到了很大的提高。此时对应的各摆臂角度为α=-8.98°,β=6.36°,γ=-17.68°。从解的变化可以看出 ,μc值是越来越小的,而移动系统的越障性能却得到了提高。从种群均值的变化可以看出,随着代数的增加,变化越来越小,说明种群离最优点的值越来越近。说明此时(即 α=-8.98°,β=6.36°,γ=-17.68°)月球车移动系统的越障性能基本达到最好。

图6 路面附着系数与迭代次数的关系

5 结论

(1)介绍了一种新型的月球车移动系统,并开发研制了其物理样机,针对此移动系统提出了其越障性能的判断准则。

(2)利用此判断准则对菱形月球车移动系统正常行驶状态下(α=0,β=0,γ=0)的菱形月球车的越障性能进行了分析。

(3)研究了摆臂机构对新开发月球车移动系统越障性能的影响。从分析结果可以看出摆臂对移动系统的越障性能有很大影响。

(4)考虑到摆臂方式的复杂性,针对新开发的移动系统物理样机,利用遗传算法对此移动系统的越障性能进行了优化,优化结果表明通过摆臂可以很大程度提高移动系统的越障性能。

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Analysisand Optim ization of Climbing-capability of Four-wheel-rhombus-arranged M obility System

Ma Chuanshuai1Wen Guilin1Zhong Zhihua1Jin Qiutan1Cheng Dong2Zhou Jingyu1
1.State Key Laboratory o f Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Changsha,410082
2.Hunan University,Changsha,410082

A new ly developed four-wheel-rhom bus-arranged mobility system for lunar rover was presented.To improve the clim bing-capability,the independent active swing arms were integrated w ith the passive rotary link structure in them obility system.In order to investigate the climbing-capability,themechanical judging criterions were put forward based on quasi-static analysis method of themobility system.The climbing capability of the mobility system w as analyzed using the criterions.Due to the adjustment of the sw ing arm s,the influences of sw ing arms on the climbingcapability w ere studied.Furthermore,the climbing capability was optimized based on the genetic algorithm method.The results indicate that the climbing capability can be greatly im proved in the severe environment.

sw ing arm;climbing capability;lunar rover;op tim ization;judging criterion

U489;V 476.3

1004—132X(2011)05—0550—07

2010—05—11

(编辑 袁兴玲)

马传帅,男,1983年生。湖南大学机械与运载工程学院博士研究生。研究方向为车辆系统动力学仿真与结构优化。获省级科技二等奖 1项,获国家发明专利 3项,发表论文2篇。文桂林,男,1970年生。湖南大学机械与运载工程学院教授、博士研究生导师。钟志华,男,1962年生。湖南大学机械与运载工程学院教授、博士研究生导师,中国工程院院士。金秋谈,男,1964年生。湖南大学机械与运载工程学院副教授。程 栋,男,1978年生。湖南大学电气与信息工程学院讲师。周景宇,男,1985年生。湖南大学机械与运载工程学院硕士研究生。