梁忠超,王永富,金 馬,高海波,鄧宗全

(1. 東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng) 110819；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

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載人月球車(chē)單輪月面直線加速行駛的模擬算法

梁忠超1,王永富1,金 馬2,高海波2,鄧宗全2

(1. 東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng) 110819；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

當(dāng)載人月球車(chē)(LRV)的車(chē)輪在地面與月面使用相同的驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，重力加速度的不同會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生完全不同的直線運(yùn)動(dòng)加速度。針對(duì)上述問(wèn)題，以單個(gè)車(chē)輪為研究目標(biāo)，首先建立車(chē)輪垂直載荷、掛鉤牽引力、驅(qū)動(dòng)力矩的力學(xué)模型，分析月面與地面重力條件下能夠產(chǎn)生相同直線加速度的車(chē)輪運(yùn)動(dòng)條件，然后推導(dǎo)同直線加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)車(chē)輪力矩驅(qū)動(dòng)的模擬算法。最后，對(duì)比月面、地面采用模擬算法、地面不采用模擬算法的三種情況下單個(gè)車(chē)輪直線加速度，驗(yàn)證模擬算法。計(jì)算結(jié)果表明：采用模擬算法驅(qū)動(dòng)的地面車(chē)輪在與月面同質(zhì)量或同垂直載荷情況下均可保持相同的直線運(yùn)動(dòng)加速度，而不使用模擬算法的地面車(chē)輪無(wú)法獲得相同的直線加速度。

載人月球車(chē)；地面力學(xué)；直線加速；模擬算法

0 引 言

月球是距離地球最近的天體，月球探測(cè)是人類(lèi)對(duì)于外天體探測(cè)的第一步。由于月面具有豐富的空間資源和礦物資源[1-3]，因此月球探測(cè)在政治、軍事、科技和經(jīng)濟(jì)等方面具有重大意義。中國(guó)已開(kāi)展了各項(xiàng)月球探測(cè)活動(dòng)，并將月球探測(cè)活動(dòng)分為“繞、落、回”三個(gè)階段，計(jì)劃于2030年后實(shí)現(xiàn)月球探測(cè)的“駐”月階段[4-5]。

載人月面探測(cè)是建立月球基地的基礎(chǔ)[6]，載人月球車(chē)作為宇航員所使用的探測(cè)工具，它既可以擴(kuò)大宇航員月面探測(cè)范圍，也可以擴(kuò)展宇航員的月面執(zhí)行任務(wù)能力，還可以降低宇航員的月面工作強(qiáng)度[7-8]。但是由于月面具有低重力、真空等特點(diǎn)[9]，宇航員在月面駕駛載人月球車(chē)時(shí)比在地面條件下具有更高的難度和更大的工作強(qiáng)度。因此，在地面條件下預(yù)先對(duì)宇航員進(jìn)行相關(guān)的訓(xùn)練，展開(kāi)相關(guān)的地面模擬月面的實(shí)驗(yàn)具有很重要的意義。

地面重力加速度約是月面的6倍，如果在地面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模擬車(chē)與月面的載人月球車(chē)具有相同質(zhì)量時(shí)，地面模擬車(chē)的車(chē)輪垂直載荷將是月面載人月球車(chē)車(chē)輪的6倍，此時(shí)若采用相同的車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力矩，將無(wú)法產(chǎn)生相同的掛鉤牽引力，最終導(dǎo)致無(wú)法產(chǎn)生相同的直線加速度。如果在地面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模擬車(chē)是月面載人月球車(chē)質(zhì)量的1/6時(shí)，車(chē)輪垂直載荷相同，此時(shí)若采用相同的車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力矩，雖然可以產(chǎn)生相同的掛鉤牽引力，但是由于質(zhì)量的不同，也無(wú)法產(chǎn)生相同的直線加速度。

目前在地面條件下模擬月面載人月球車(chē)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方法主要有兩種：質(zhì)量等效法[10]和懸掛重力補(bǔ)償法[11-13]。其中質(zhì)量等效法是在地面條件使用模擬車(chē)的質(zhì)量為月面載人月球車(chē)質(zhì)量的1/6，從而獲得相同的車(chē)輪垂直載荷。該方法在地面與月面使用相同的車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力矩時(shí)，可獲得相同的掛鉤牽引力，但是由于質(zhì)量的不同，無(wú)法獲得相同的直線行駛加速度。懸掛重力法是將完全相同的載人月球車(chē)懸掛起來(lái)，通過(guò)鋼絲的拉力，平衡和補(bǔ)償約5/6的重力，最終實(shí)現(xiàn)與月面車(chē)輪相同直線運(yùn)動(dòng)加速度。但是這種方法受到了場(chǎng)地的限制，并且懸掛鋼絲的恒定拉力也較難控制。

在地面條件使用模擬車(chē)模擬月面條件載人月球車(chē)的直線加速運(yùn)動(dòng)，對(duì)于駕駛員來(lái)說(shuō)就是在地面和月面都采用同樣的操縱桿輸入，能夠獲得相同的直線行駛加速度。即駕駛員不管在地面還是月面，均使用操縱輸入uA時(shí)，能夠獲得

aL=aE

式中：aL為月面載人月球車(chē)直線運(yùn)動(dòng)加速度,aE為地面模擬車(chē)直線運(yùn)動(dòng)加速度。

為了克服質(zhì)量等效法和非懸掛法的局限性，以單個(gè)車(chē)輪為研究對(duì)象，推導(dǎo)模擬算法控制和改變地面車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力矩，在地面模擬車(chē)與月面載人月球車(chē)相同質(zhì)量或相同垂直載荷的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)月面載人月球車(chē)直線行駛模擬的目標(biāo)。

1 車(chē)輪直線運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型

根據(jù)Bekker提出的承壓模型，車(chē)輪-土壤作用面的平均正壓力為[7-8]

σ=(kc/b+kφ)zn

(1)

式中：σ為壓板下部平均法向應(yīng)力，b為壓板的短邊長(zhǎng)度或半徑，kc為內(nèi)聚力變形模量，kφ為摩擦變形模量，n為沉陷指數(shù)，z為壓板下陷量。

車(chē)輪下方所受到的剪切應(yīng)力，根據(jù)Janosi的土壤剪切模型，土壤的剪應(yīng)力與剪切位移存在如下關(guān)系[7-8]

τ=τmax(1-e-j/j0)=(c+σtanφ)(1-e-j/j0)

(2)

式中：c為土壤內(nèi)聚力，φ為內(nèi)摩擦角，j0為剪切變形模量。

定義車(chē)輪的掛鉤牽引力

(3)

式中：T為車(chē)輪驅(qū)動(dòng)扭矩，Tf為壓縮土壤時(shí)產(chǎn)生的阻力矩。從式(3)可以看出，掛鉤牽引力為車(chē)輪驅(qū)動(dòng)扭矩克服壓縮土壤的阻力矩后所產(chǎn)生的牽引力，只有當(dāng)T大于Tf時(shí)車(chē)輪才可能產(chǎn)生直線加速度。

根據(jù)車(chē)輪的幾何關(guān)系，

z=r(1-cosθ1)

(4)

j=r[(θ1-θ)-(1-s)(sinθ1-sinθ)]

(5)

式中：r為車(chē)輪的有效半徑；θ1為車(chē)輪的進(jìn)入角，同時(shí)也是沉陷量參數(shù)；j為土壤的剪切變形；s為車(chē)輪的滑轉(zhuǎn)率。

車(chē)輪在行進(jìn)過(guò)程中，由于滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，車(chē)輪的正壓力分布的峰值并不在其正下方，而是產(chǎn)生角度θm角度的偏移[14]，

(6)

式中：c1和c2為最大應(yīng)力角系數(shù)。

根據(jù)Wong-Reece的正應(yīng)力分布模型[15]，可得車(chē)輪的垂直載荷、掛鉤牽引力、驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算式：

(7)

(8)

(9)

式中：θ2為車(chē)輪離去角，且有θ2=-0.125θ1。

2 相同加速度的車(chē)輪運(yùn)動(dòng)條件

根據(jù)被動(dòng)滑轉(zhuǎn)原理[16-17]，當(dāng)已知土壤參數(shù)時(shí)，可將式(7)～(9)的三個(gè)方程轉(zhuǎn)化為沉陷量參數(shù)θ1和滑轉(zhuǎn)率s的函數(shù)方程。則當(dāng)載人月球車(chē)在月面行駛時(shí)，其車(chē)輪垂直載荷為WL，掛鉤牽引力為FDPL，驅(qū)動(dòng)力矩為T(mén)L，可以得到在月面重力條件沉陷量參數(shù)θ1L和滑轉(zhuǎn)率sL的函數(shù)方程，即

(10)

同理可得

(11)

式中：對(duì)于地面條件下的單個(gè)車(chē)輪，WE為垂直載荷；FDPE為掛鉤牽引力；TE為驅(qū)動(dòng)力矩；θ1E為沉陷量參數(shù)；sE為滑轉(zhuǎn)率。

定義月面和地面條件下載人月球車(chē)的直線加速度比值ia，根據(jù)牛頓第二定律可得

(12)

式中：mL和mE分別為月面和地面條件下載人月球車(chē)單輪的等效載荷質(zhì)量。

根據(jù)式(12)，地面模擬月面的直線行駛加速度的目的就是令ia的取值為1。下面分兩種情況討論該比值，具體如下：

1)當(dāng)?shù)孛娌捎玫哪M車(chē)質(zhì)量為月面載人月球車(chē)的1/6時(shí)，可獲得相同的車(chē)輪垂直載荷。若采用相同車(chē)輪驅(qū)動(dòng)扭矩，根據(jù)式(10)和式(11)，可以獲得相同的掛鉤牽引力。根據(jù)以上關(guān)系，可得

(13)

將式(13)代入式(12)，可得ia=1/6。可以看出，此時(shí)雖然可以獲得相同的掛鉤牽引力，但是由于質(zhì)量的改變，并無(wú)法獲得相同的直線行駛加速度。

2) 當(dāng)質(zhì)量相同時(shí)，由于地面重力約是月面的6倍，地面車(chē)輪垂直載荷是月面的6倍，此時(shí)若采用相同的車(chē)輪驅(qū)動(dòng)扭矩，根據(jù)式(10)和式(11)，獲得的車(chē)輪掛鉤牽引力不相等。根據(jù)以上關(guān)系，可得

(14)

將式(14)代入式(12)，可得ia≠1?？梢钥闯觯?dāng)質(zhì)量相同時(shí)，垂直載荷不同，相同驅(qū)動(dòng)扭矩會(huì)產(chǎn)生不同的掛鉤牽引力，導(dǎo)致無(wú)法獲得相同的直線行駛加速度。

因此，針對(duì)以上兩種情況，需要對(duì)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)扭矩進(jìn)行改變和控制，才能實(shí)現(xiàn)ia= 1的模擬。

3 單輪的月面運(yùn)動(dòng)模擬算法

本文不考慮車(chē)輪的電機(jī)模型和內(nèi)部摩擦力矩等。定義uA為宇航員的直線駕駛輸入，為了在地面條件下模擬月面的載人月球車(chē)直線加速特性，應(yīng)該在不同重力條件下都使用相同的駕駛輸入，以月面的車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力矩為模擬目標(biāo)，則有：

uA=TL

(15)

對(duì)于月面條件下行駛的載人月球車(chē)，根據(jù)式(10)，將式(15)作為輸入，可得如下方程

(16)

在月面條件下，式(16)中，車(chē)輪的物理參數(shù)寬度b和半徑r可較容易測(cè)得；對(duì)于車(chē)輪與土壤間的正壓應(yīng)力函數(shù)σ1L和σ2L、剪切應(yīng)力函數(shù)τ1L和τ2L，其中的土壤參數(shù)可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的土壤壓板實(shí)驗(yàn)獲得；車(chē)輪的垂直載荷WL可根據(jù)載人月球車(chē)的整車(chē)質(zhì)量、質(zhì)心位置、月面重力加速度得到；車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力矩TL，可根據(jù)式(15)的駕駛員輸入獲得。因此，式(16)只含兩個(gè)未知變量sL和θ1L，將以上已知參數(shù)代入式(16)可得{sL,θ1L}。

將{sL,θ1L}代入如下方程

FDPL=

(17)

通過(guò)式(17)可求得FDPL的值。

在利用式(16)和式(17)的求解過(guò)程中可以看

出，在月面條件下，當(dāng)駕駛員使用操縱桿做出uA的操縱輸入時(shí)，相應(yīng)的對(duì)車(chē)輪施加TL的驅(qū)動(dòng)力矩，此時(shí)車(chē)輪在月壤上產(chǎn)生一定的沉陷量θ1L和滑轉(zhuǎn)率sL，最終使車(chē)輪產(chǎn)生掛鉤牽引力FDPL。

對(duì)于地面條件下行駛的模擬車(chē)，為了實(shí)現(xiàn)前進(jìn)加速度的模擬，應(yīng)有ia= 1。根據(jù)式(12)，可得月-地條件下同直線加速度時(shí)的掛鉤牽引力關(guān)系，如下所示：

(18)

將式(17)中FDPL的計(jì)算結(jié)果代入式(18)，可獲得地面條件下模擬時(shí)的車(chē)輪掛鉤牽引力FDPE。利用地面條件下的車(chē)輪垂直載荷WE和掛鉤牽引力FDPE，根據(jù)式(11)，可得

(19)

與求解式(16)的過(guò)程類(lèi)似，在地面條件下，車(chē)輪的物理參數(shù)b和r(月面和地面的車(chē)輪結(jié)構(gòu)相同)、車(chē)輪與土壤間的正壓力函數(shù)σ1E和σ2E、剪切應(yīng)力函數(shù)τ1E和τ2E、車(chē)輪的垂直載荷WE，以上參數(shù)均可作為已知參數(shù)。另外，與式(16)求解過(guò)程不同的是，車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力矩TE為后面所需求解的參數(shù)，而此時(shí)FDPE為利用式(18)獲得的已知參數(shù)，同時(shí)該參數(shù)也是地面模擬時(shí)車(chē)輪需要產(chǎn)生的掛鉤牽引力。因此，式(19)中同樣只含有兩個(gè)未知變量sE和θ1E，將以上已知參數(shù)代入式(19)可得{sE,θ1E}的值。

將{sE,θ1E}的值代入如下方程

(20)

通過(guò)計(jì)算，可獲得模擬月面條件下車(chē)輪直線加速度時(shí)需要在地面條件下對(duì)車(chē)輪施加的驅(qū)動(dòng)力矩TE。

從式(19)和式(20)的求解過(guò)程中可以看出，為了獲得與月面相同的直線行駛加速度，需要產(chǎn)生滿足式(18)關(guān)系的車(chē)輪掛鉤牽引力FDPE。因此，式(19)和式(20)中對(duì)TE的求解，是基于式(16)和式(17)的求解結(jié)果FDPL所獲得的。所以，對(duì)于宇航員來(lái)說(shuō)，在地面條件下使用同樣的操縱輸入uA，通過(guò)求解式(15)～(20)，可得地面模擬時(shí)所需使用的車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力矩TE。

因此，基于式(15)～(20)的求解過(guò)程可獲得地面模擬月面單輪直線加速的模擬算法，其求解過(guò)程如圖1所示。首先，駕駛員對(duì)車(chē)輪使用加速操縱輸入uA，利用式(16)求得{sL,θ1L}，將其代入式(17)，計(jì)算獲得FDPL的值。然后，將FDPL代入式(18)，可以獲得在地面模擬月面車(chē)輪的直線加速時(shí)，車(chē)輪所需產(chǎn)生的掛鉤牽引力FDPE。最后，將FDPE代入式(19)，求得{sE,θ1E}，再將其代入式(20)，通過(guò)計(jì)算可以得到地面模擬時(shí)所需的車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力矩TE。

4 模擬算法校驗(yàn)

從式(3)可以看出，車(chē)輪的輸出力矩T需要大于壓土力矩Tf時(shí)，才能產(chǎn)生掛鉤牽引力FDP。因此，采用如下車(chē)輪的扭矩輸入函數(shù)：

(21)

式中：Tmin是為了克服壓土阻力所選取的最小車(chē)輪力矩，Tmax為最大車(chē)輪力矩。

在地面條件下，通常采用兩種方式來(lái)模擬載人月球車(chē)的月面行駛，即相同質(zhì)量和相同車(chē)輪載荷(1/6質(zhì)量)。車(chē)輪的土壤參數(shù)如文獻(xiàn)[16]所示，車(chē)輪r= 0.4 m，b= 0.23 m。

當(dāng)月-地載人月球車(chē)具有相同質(zhì)量，即mL= 174.75 kg，mE= 174.75 kg時(shí)，對(duì)以下三種情況的車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力矩T、掛鉤牽引力FDP、直線加速度a進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比：1)月面條件下的單輪直線加速運(yùn)動(dòng)；2)地面條件下采用圖1中模擬算法的單輪直線加速運(yùn)動(dòng)；3)地面條件下直接使用與月面相同車(chē)輪力矩的直線加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)車(chē)輪最小力矩Tmin=20 N·m，車(chē)輪最大力矩分別為T(mén)max= 80 N·m和Tmax= 50 N·m時(shí)，計(jì)算結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2和圖3為采用等質(zhì)量的模擬方法，此時(shí)只要產(chǎn)生相同的車(chē)輪掛鉤牽引力即可產(chǎn)生相同的直線加速度。從圖2(a)和圖3(a)可以看出，此時(shí)由于地面的重力約是月面的6倍，車(chē)輪更大的垂直載荷需要使用更大的驅(qū)動(dòng)扭矩才能獲得相同的掛鉤牽引力。從圖2(b)和圖3(b)可以看出，月面條件與地面模擬車(chē)輪的掛鉤牽引力幾乎完全重合，而地面非模擬情況中，車(chē)輪掛鉤牽引力的理論值為負(fù)值，這說(shuō)明此時(shí)采用與月面相同的車(chē)輪力矩時(shí)，由于力矩較小而無(wú)法克服土壤的壓土力矩，因此無(wú)法產(chǎn)生凈掛鉤牽引力。相應(yīng)地，從圖2(c)和圖3(c)可以看出，月面條件與地面模擬的單輪直線加速度幾乎完全相同，而地面非模擬情況下，由于不能產(chǎn)生前進(jìn)掛鉤牽引力，單輪并不能產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，即直線加速度為0。

當(dāng)月-地載人月球車(chē)采用同垂直載荷模擬(1/6質(zhì)量)時(shí)，mL=174.75 kg，mE=29.13 kg。同樣對(duì)上述三種情況車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力矩T、掛鉤牽引力FDP、直線加速度a進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比。當(dāng)車(chē)輪最小力矩Tmin=20 N·m，車(chē)輪最大力矩分別為T(mén)max=80 N·m和Tmax=50 N·m時(shí)，計(jì)算結(jié)果分別如圖4和圖5所示。圖4和圖5為相等車(chē)輪垂直載荷的模擬方法，這種方法也是地面條件下最常使用的。從圖4(a)和圖5(a)可以看出，此時(shí)由于較小的質(zhì)量，為了產(chǎn)生相同的直線加速度時(shí)，地面模擬時(shí)僅需要較小的車(chē)輪力矩。

從圖4(b)和圖5(b)可以看出，采用地面模擬的車(chē)輪等效載荷質(zhì)量是月面的1/6，因此地面模擬時(shí)的掛鉤牽引力是月面的1/6就可以產(chǎn)生相同的直線加速度。地面非模擬時(shí)，由于地面車(chē)輪垂直載荷和驅(qū)動(dòng)力矩均與月面相同，能夠產(chǎn)生相同的掛鉤牽引力。從圖4(c)和圖5(c)可以看出，月面條件與采用模擬方法的地面條件的車(chē)輪可產(chǎn)生相同的直線加速度，而地面非模擬的車(chē)輪產(chǎn)生了月面條件約6倍的車(chē)輪直線加速度。

因此，根據(jù)圖2～5的計(jì)算結(jié)果，不采用模擬方法時(shí)的地面車(chē)輪，由于月-地重力加速度的不同，與月面條件下的直線加速度具有較大的差異。而采用模擬算法驅(qū)動(dòng)的車(chē)輪在地面條件下進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可產(chǎn)生與月面車(chē)輪相同的直線加速度。

圖2 單輪月面直線加速模擬的對(duì)比(同質(zhì)量模擬，Tmax=80 N·m)Fig. 2 Comparison of wheel linear acceleration (imitation with same mass, Tmax=80 N·m)

圖3 單輪月面直線加速模擬的對(duì)比(同質(zhì)量模擬，Tmax=50 N·m)Fig. 3 Comparison of wheel linear acceleration (imitation with same mass, Tmax=50 N·m)

圖4 單輪月面直線加速模擬的對(duì)比(同垂直載荷模擬，Tmax = 80 N·m)Fig.4 Comparison of wheel linear acceleration (imitation with same vertical load, Tmax = 80 N·m)

圖5 單輪月面直線加速模擬的對(duì)比(同垂直載荷模擬，Tmax = 50 N·m)Fig.5 Comparison of wheel linear acceleration (imitation with same vertical load, Tmax = 50 N·m)

5 結(jié) 論

基于車(chē)輪的地面力學(xué)模型，分析了月-地不同重力條件下單個(gè)車(chē)輪能夠產(chǎn)生相同直線加速度的運(yùn)動(dòng)條件，推導(dǎo)了相應(yīng)的模擬算法。通過(guò)計(jì)算和分析，得到了如下結(jié)論：

1) 當(dāng)月-地車(chē)輪具有相同等效質(zhì)量時(shí)，采用模擬算法驅(qū)動(dòng)地面車(chē)輪，在月面分別使用最大50 N·m和80 N·m的力矩驅(qū)動(dòng)時(shí)，地面分別采用157.3 N·m和186.2 N·m力矩驅(qū)動(dòng)的車(chē)輪可獲得與月面車(chē)輪相同的掛鉤牽引力，并獲得相同的直線加速度。

2) 當(dāng)月-地車(chē)輪具有相同垂直載荷時(shí)，采用模擬算法驅(qū)動(dòng)地面車(chē)輪，在月面分別使用最大50 N·m和80 N·m的力矩驅(qū)動(dòng)時(shí)，地面分別采用最大17.5 N·m和22.3 N·m力矩驅(qū)動(dòng)的車(chē)輪可獲得月面車(chē)輪1/6的掛鉤牽引力，并獲得相同的直線運(yùn)動(dòng)加速度。

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通信地址：遼寧省沈陽(yáng)市和平區(qū)文化路3巷11號(hào)東北大學(xué)319信箱(110819)

電話：18640288613

E-mail: liangzc@me.neu.edu.com

王永富(1969-)，男，博士，教授，主要從事電動(dòng)汽車(chē)控制，模糊控制方面的研究。本文通信作者。

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Imitation Algorithm of Single Wheel Linear Accelerating on Moon for Manned Lunar Rover

LIANG Zhong-chao1, WANG Yong-fu1, JIN Ma2, GAO Hai-bo2, DENG Zong-quan2

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China; 2. State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

When the wheels of a manned lunar roving vehicle (LRV) are driven by the same torque both on the Earth and the Moon, the vehicle will produce the different linear acceleration caused by the different gravities. In view of the above questions, a single wheel is concentrated, and the force model of the vertical load, drawbar pull force, and driving torque is established. Then, by analyzing the moving condition of producing the same linear acceleration for a single wheel both on Earth and the Moon, the imitation algorithm for driving the wheel is derived. Finally, to verify the imitation algorithm, the linear accelerations of a single wheel under three conditions, including the lunar condition, the Earth condition with the imitation algorithm, and the Earth condition without the imitation algorithm, are compared. The comparison results show that the wheel on Earth driven by the torque using the imitation algorithm can produce the same linear acceleration with that of the wheel on the Moon. However, the wheel without using imitation algorithm cannot produce the same linear acceleration.

Manned lunar rover; Terramechanics; Linear accelerating; Imitation algorithm

2017-02-04;

2017-05-11

國(guó)家自然科學(xué)基金(51605082)；機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(SKLRS-2017-KF-07)；遼寧省博士科研啟動(dòng)基金(201601006)；沈陽(yáng)市科技基金(F16-226-6-00)

TP242

A

1000-1328(2017)07-0772-07

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.07.000

梁忠超(1984-)，男，博士，講師，主要從事輪式移動(dòng)機(jī)器人，月球車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)控制等方面研究。