新型四轮腿式月球车轮腿结构设计及分析(3)

控制系统

824武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2008年　第32卷

可选取0.2～0.3,得到Η≤24.49°.所以,上坡时斜面的坡度Η应该不超过24°,超过这个坡度,月球车应该在控制系统作用下转向避障.

根据受力分析,对前轮与斜坡接触点取矩,可分别求得前、后轮上的受力情况,为使前、后轮受力尽量保持均匀,则

4(Td+Td)-4(Tr+Tr)

Α=arcsin[-2aG1+3sin2Η]-2aG1+3sin2Η

(2)arctan2

　　爬坡过程中合理确定各参数,使月球车展开角Α满足式(2),前、后轮受力将比较均匀,行驶稳定性好.

2.3　2,筒及后轮腿2,2前轮运动至障碍物顶端并带动车身转过一定角度,月球车在4轮驱动下前进.从水平路面姿态进入越障姿态时,为便于控制,2后腿长度及其与水平面夹角保持不变.越障时前轮腿的展开角为Β,车身相对水平面转过Χ角,前腿长为b,建立如图6所示平面直角坐标系.后轮与月面接触点的横坐标为xr,车身重心横坐标为xc.前轮越障时,月球车保持稳定的平衡条件为xc≤x

r,即

bsinΒcosΧ+L1cosΧ+bcosΒcosΧ+

(3)h1 2sinΧ≤xr

危险的情况下增加月球车行进稳定性.

月球车前后轮腿在结构上是对称性的,因此2后轮越障与前轮越障具有相似的姿态,此处不再赘述.月球表面形状复杂多变,但可将复杂月面形状分解成以上典型月面形状的组合,进而设定月球车的相应行进姿态.

3　仿真分析

将UG3.0入ADAM中,,设置有24°斜.

S Tire模块建立月面与月球车轮胎相互作用模型,设置轮胎与月面的静摩擦因数fs=0.7、动摩擦因数fd=0.4、静摩擦转换速度vs=0.1,动摩擦转换速度vd=1.0.设月球车车体几何参数:L1=0.8m,L2=0.7m,R=0.2m,原始腿长a=0.50m,弹性元件刚度系数k=1

200N m.月球车及其携带科学仪器总重量为150kg.

对月球车运动过程进行仿真分析,根据2.3中的结论调节月球车各滑动作动筒伸长量,使其满足设定姿态的条件,并控制滑动作动筒最大伸长量 l≤160mm,其越障高度可达到208mm.图7为月球车跨越极限高度的障碍物的仿真曲线.

图7　复杂月面形状仿真曲线图

图7中细实线代表月球车前轮中心的高度变化,该曲线也反映了所跨越障碍物的高度;细虚线代表前车轮与月球表面的接触力,粗实线代表悬架与车身间的弹性装置的受力变化,粗虚线代表车身在竖直方向的速度变化.可以看出,月球车行驶过程中,随月面的高低起伏车轮颠簸较厉害,接触力容易产生突变,但车体在竖直方向的速度曲线相对平缓,这是由于车体和悬架的弹性联接缓冲了来自复杂月面的振动,车体稳定性得到提高.图8反应了随月面形状变化车体的速度变化,图9为车体角速度变化曲线.

由图9可以看出,通常情况下,根据月面变化

图6　2前轮越障时受力分析

　　由式(3)知,在质心位置及车身偏离水平面的转角Χ确定的情况下,合理调整前轮腿长度b及展开角Β即可避免前轮越障过程中的翻转.前轮越障过程中作用于前、后轮上的法向支持力Fn1和Fn2在通常情况下是不可能相等的,但根据实际越障高度 h,行驶中的月球车可通过进一步适当调节前轮腿长度b及展开角Β的大小,使法向支持力Fn1和Fn2尽量接近,从而保证在不发生越障翻转