鄢青青，劉 衛(wèi)，滿劍鋒，朱 瑪，周 東，劉 學

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

引 言

在星球巡視探測任務中，星球車一般不能直接降落在星球表面，需通過著陸器進行搭載，待著陸器軟著陸后，通過轉(zhuǎn)移機構安全轉(zhuǎn)移至星球表面[1-2], 由于著陸器在星球表面軟著陸時存在非常多的不確定性[3]，因此展開策略對于星球車能否安全轉(zhuǎn)移至關重要。前蘇聯(lián)月球車于1973年發(fā)射，安裝了2個懸梯，布置在巡視器兩側，巡視器可選擇前后任一懸梯行駛到月球表面[4-5]?！盎鹦翘铰氛摺保∕ars PathFinder，MPF）于1996年發(fā)射，火星車利用2條收攏在側板上的柔性坡道進行轉(zhuǎn)移，可根據(jù)地形等因素選擇前后任一方向進行轉(zhuǎn)移[6-7]。2003年發(fā)射的火星探測巡視器（Mars Exploration Rover，MER）繼承了MPF的著陸平臺，著陸器側板展開后，連接在側板之間的纖維布隨之展開，在MER的3個方向形成柔性轉(zhuǎn)移坡道，MER火星車可根據(jù)情況選擇其中的任意1個通道進行轉(zhuǎn)移[8-9]。2013年12月2日，中國發(fā)射“嫦娥3號”探測器，“玉兔號”月球車在轉(zhuǎn)移機構展開后移至月球表面，該轉(zhuǎn)移機構為固定方向展開[10-11]。由目前的探測器可知，轉(zhuǎn)移機構的數(shù)量決定了可供星球車轉(zhuǎn)移的通道數(shù)量，可供星球車轉(zhuǎn)移的通道數(shù)量越多，星球車安全轉(zhuǎn)移至星球表面的可靠度越高。

以火星巡視探測任務為背景，受限于包絡空間，巡視器無法安裝2套火星車轉(zhuǎn)移坡道機構，針對有限的1套坡道機構，為實現(xiàn)2個方向的火星車轉(zhuǎn)移通道，在不更改原有機構的前提下，本文提出了一種雙向可選的自主展開策略，通過坡道機構與數(shù)管軟件進行聯(lián)試試驗，驗證了自主展開策略的可行性及有效性。

1 坡道機構展開原理

為了便于分析，定義著陸器坐標系（O-XYZ）為全局坐標系，坐標系原點O位于著陸器平臺上表面的幾何中心；X垂直于著陸器平臺的表面，向上為正；Z軸與著陸平臺上的坡道平行，指向卷筒組件方向為正；Y軸方向根據(jù)右手定則確定，如圖1所示。坡道機構展開工作過程為：①坡道在發(fā)射段及地火轉(zhuǎn)移段、著陸段處于收攏壓緊狀態(tài)；②待著陸器安全著陸在火星表面后，火工品解鎖，根據(jù)著陸條件開展分析并最終確定坡道機構的展開方向；③當抽展到預定位置后，坡道機構在擺轉(zhuǎn)裝置及重力矩作用下，進行自然擺轉(zhuǎn)直至接觸地面，形成供火星車轉(zhuǎn)移的通道；④火星車通過坡道從著陸平臺駛入火星表面。

由于坡道機構展開的成功與否直接決定火星車能否順利轉(zhuǎn)移至火星表面，為提高坡道成功展開的可靠性，落火后根據(jù)巡視器的姿態(tài)及地形條件，針對在軌可能的一系列故障，提出了坡道機構自主展開策略，實現(xiàn)了火星車2個方向（+Z或-Z方向）可選的轉(zhuǎn)移通道，為其安全轉(zhuǎn)移火面提供有力支撐。

圖1 全局坐標系定義Fig. 1 The definition of global coordinate system

2 自主展開策略分析

作為坡道機構的傳動部分，卷筒組件在電機驅(qū)動作用下實現(xiàn)抽展，電機采用雙繞組備份。為防止電機過流，超過機構承受能力，設置了過流閾值，同時在坡道機構運行過程中對電機電流、轉(zhuǎn)向等參數(shù)進行遙測，當抽展方向的兩個到位開關均為到位狀態(tài)，則電機斷電，認為坡道機構擺轉(zhuǎn)到位。

在抽展過程中，針對落火后可能出現(xiàn)的故障，設計了以下故障工作模式：

1）若運行過程中遇到小石子、堆積的灰塵等，繞組電流異常過大時，說明機構阻力很大，不能正常工作，對電機進行斷電并進行反轉(zhuǎn)控制，將坡道退回一段距離后再重新嘗試展開動作，此為倒轉(zhuǎn)模式，該模式下過流閾值使能。

2）若倒轉(zhuǎn)模式無法突破障礙時，則切換至點動工作模式，電機進行短時間工作，點動模式下電流閾值高于正常模式及倒轉(zhuǎn)模式下的電流閾值，用以確保坡道機構能短時大力越過障礙。

3）若運行過程中主繞組輸出力不足或者不工作時，則切換為備繞組繼續(xù)工作，提高機構可靠性。

4）若點動模式亦無法突破障礙，則認為該方向無法實現(xiàn)展開，此時控制電機反轉(zhuǎn)，將坡道機構沿另一方向進行展開，確保任務成功。

綜合以上故障工作模式，提出了一種雙向可選的坡道機構自主展開策略，如圖2所示。在火工品解鎖后，坡道機構自主展開流程如下：

1）數(shù)管軟件按照落點信息判斷展開方向并控制坡道機構電機運動。

2）坡道初始抽展，電流正常，則坡道以正常模式繼續(xù)運行。若電機過流，則進入倒轉(zhuǎn)模式。

3）倒轉(zhuǎn)模式3次后，若電機過流，則進入點動模式，點動模式中對電流進行監(jiān)測：

圖2 坡道機構自主展開策略Fig. 2 Autonomous deployment strategy of transfer ramps

（1）若點動模式中電流正常，則仍以正常模式繼續(xù)運行；

（2）若點動模式中，電機過流，則再次以點動模式運行，最多3次點動。

4）若點動次數(shù)達到3次時，電機仍過流，若電機為主份工作，則切至備份，采用備繞組，從步驟 1）重新開始流程，若已是備份工作，則判斷反向抽展是否使能：

（1）若使能，則坡道反向抽展；

（2）若不使能，則停機待命。

5）坡道反向抽展后，電機正常模式運行過程中，檢測到電機過流，則先進入倒轉(zhuǎn)模式；倒轉(zhuǎn)模式3次后，如電機過流，再進入點動模式。

6）坡道反向抽展、點動模式后：

（1）若點動模式中電流正常，則仍以正常模式繼續(xù)運行；

（2）若點動模式中，電機過流，則再次以點動模式運行，最多3次點動；

（3）若點動次數(shù)達到3次，仍出現(xiàn)電機過流，則停機待命。

3 展開策略試驗驗證

為驗證坡道機構自主展開策略的可行性及有效性，進行了坡道機構與數(shù)管軟件聯(lián)試試驗。通過在坡道上各設置2個氣球用于模擬火星3/8g的重力場條件，同時在坡道展開路徑上（ ±Z方向）各設置足夠重的障礙物，如圖3所示，模擬坡道機構雙邊受堵而無法展開工況，用以對坡道機構自主展開策略進行全面覆蓋及驗證。

圖3 坡道機構與數(shù)管軟件聯(lián)試試驗方案Fig. 3 The joint test of transfer ramps and data management software

參加聯(lián)試試驗為裝配完整的坡道機構，呈收攏狀態(tài)安裝在模擬平臺上，如圖4所示，試驗人員通過手動拔銷解鎖后，數(shù)管軟件驅(qū)動坡道機構，按正常模式沿-Z方向展開，直至遇障礙物1而過流停機，隨后切換為故障模式展開，由于電機輸出力矩不足以推翻障礙物1，坡道機構反向抽展，按正常模式沿+Z方向展開，直至遇障礙物2而過流停機，隨后切換為故障模式繼續(xù)展開，由于輸出力矩亦無法推翻障礙物2，最后電機停機，坡道機構抽展待命。

圖4 坡道機構安裝至模擬平臺上Fig. 4 Installation of transfer ramps on simulation platform

圖5為坡道機構自主展開策略驗證示意圖，正常模式展開過程中電機電流穩(wěn)定在0.07 A左右，其中-Z方向故障模式展開分析見圖6，+Z方向故障模式展開分析見圖7。當坡道機構沿-Z方向展開第一次過流停機后實現(xiàn)了3次倒轉(zhuǎn)及3次點動（遇障礙物1），均未能克服阻力，則電機由主份切為備份工作，再次嘗試展開，過流停機后又進行了3次倒轉(zhuǎn)及3次點動（遇障礙物1），均未能克服阻力，此時坡道機構嘗試反向抽展（沿+Z方向），同樣在第一次過流停機后（遇障礙物2），實現(xiàn)了3次倒轉(zhuǎn)及3次點動，均未能克服阻力，則電機斷電停機。

綜上可知，坡道機構雙邊受堵無法展開工況覆蓋了自主展開策略里的全部流程，電流、運動狀態(tài)及過流狀態(tài)等遙測參數(shù)正常，充分驗證了坡道機構自主展開策略的可行性及有效性，且電機從運行開始至斷電停機共耗時864 s，考慮到聯(lián)試過程中障礙物擺放位置未能達到坡道機構運行最遠端，因此坡道機構自主展開策略最長路徑耗時應不少于864 s。

圖5 坡道機構雙邊受堵時自主展開策略驗證Fig. 5 Verification on deployment strategy of transfer ramps when two sides are blocked

圖6 坡道機構沿-Z方向遇故障展開過程分析Fig. 6 Analysis on failure deployment to the -Z direction of transfer ramps

圖7 坡道機構沿+Z方向遇故障展開過程分析Fig. 7 Analysis on failure deployment to the +Z direction of transfer ramps

4 結 論

受限于包絡空間，巡視器無法安裝2套火星車轉(zhuǎn)移坡道機構，針對有限的1套坡道機構，考慮其在軌可能出現(xiàn)的各種故障，在不更改原有機構的前提下，本文提出了一種雙向可選展開的自主展開策略，實現(xiàn)了一套轉(zhuǎn)移機構可提供2個轉(zhuǎn)移通道的突破。通過將坡道機構與數(shù)管軟件進行聯(lián)試試驗，模擬坡道機構雙邊受堵而無法展開工況，試驗過程中各項遙測參數(shù)正常，全面覆蓋了自主展開策略的各項流程，充分驗證了坡道機構自主展開策略的可行性及有效性，為火星車順利轉(zhuǎn)移至火面提供可靠保障。