第 1 章 緒論
1.1 課題背景及研究的目的和意義
1.1.1 課題來源及背景
1.1.1.1 課題來源
本課題來源於中國空間技術研究院與哈爾濱工業大學聯合技術研究課題：
（1）著陸巡視器移動分系統移動系統構型參數優化及動力學分析；
（2）基於控制的火星車移動機構運動學建模。 本課題還受到國家自然科學基金優秀青年基金項目：機器人地面力學及應用方法（項目號：51822502）的資助。
1.1.1.2 課題背景
火星是太陽系內和地球最為相似的行星，對於研究地球的演化具有借鑑意義。它也是除地球外最有可能孕育生命的行星科學家們一直在探討火星上是否有水，或是否曾經存在液態水。對於其土壤和大氣的研究是未來火星移民的基礎，決定著人類能否利用火星原位資源建立基地。只有火星表面探測才能很好地回答這些問題。
1971 年~1973 年，蘇聯成功地將兩台火星巡視器（Marskhod）送入火星大氣層，不幸的是它們均在著陸撞擊階段失去了聯繫[1]。
1996 年美國向火星發射了“火星探路者”（Pathfinder）火星車[2]，驗證了火星進入、下降和著陸方案，明確了氣囊緩衝著陸的可行性。該次任務中的“索傑娜”（Sojourner）火星車質量較輕，僅攜帶了有限的土壤和大氣探測設備，通過該任務獲得了火星土壤參數，確定了搖臂-轉向架式懸架在火星崎嶇地面上的優勢。
2004 年美國實施了“火星巡視者”（MER）項目[3]，發射了“勇氣號”（Sprit）[4]和 “機遇號”（Opportunity）火星車[5]，兩輛車配置基本相同，它們的質量和體積均較“索傑娜”大得多，但仍然採用氣囊緩衝著陸。它們攜帶了更多的科研設備，還帶有鑽探和採樣功能的機械臂，具備火星表面物質分析能力，“勇氣號”工作到 2010 年，“機遇號”工作到現在。
.............................
1.2 美國火星車運行中出現的問題
目前，美國已經成功部署了四輛火星車：索傑娜號(Sojourner)[5]、勇氣號(Spirit)[6]、機遇號(Opportunity)[6]和好奇號(Curiosity)[7]，使得美國獲得火星探測第一手信息，積累了大量的經驗和教訓，在設計我國火星車時可以加以借鑑。美國四輛火星車的懸架均採用搖臂-轉向架構型，除索傑娜號車輪是全剛性車輪外[8]，其它車的車輪均採用剛性輪和彈性輪輻方案[9-11]。受到車輪-土壤相互作用機理的限制，美國火星車移動系統的牽引通過能力有限，這制約了火星車的探測和生存能力。
1.2.1 大沉陷脫陷問題
火星土壤的承壓能力較差，車輪沉陷往往較深，車輪打滑嚴重。沉陷後車輪繼續旋轉，使得沉陷加劇，如圖 1-1 所示。因此，輪式車輛難以自主脫陷。
2006 年，勇氣號（Spirit）右前輪發生了故障，此後只能採用五個車輪倒車拖動故障輪行駛，行駛一段就要停下來觀察路面，右前輪的故障又導致其他車輪壽命的降低[14]。2009 年，在通過“特洛伊”沙丘（Troy）時，該車再次陷入沙土中導致右後輪也發生故障，單側兩個車輪故障時車輛失去繼續行駛的能力，只能在 2010 年轉為固定觀測平台[15]。
機遇號（Opportunity）也遇到過幾次車輪沉陷的危險。2005 年，機遇號曾陷入一片沙質山脊。雖然沙土深度僅約 30cm，但耗時 5 周才脫困。2008 年，其左前輪也發生了類似勇氣號的故障，幸運的是該故障在車輛倒車的過程中被消除了。2010 年 5 月，機遇號因害怕再次遇險，
主動地規避了位於維多利亞隕石坑（Victoria Crater）和努力隕石坑（Effort Crater）之間危險的沙丘。2013年，由於以往損耗導致機遇號移動系統出現故障，車輪驅動電流顯著增加[16]。因此，應增強車輛的軟土通過性和脫陷能力，避免車輪長時間大沉陷轉動。
...............................
第 2 章 六輪搖臂式火星車輪-步復合移動系統設計
2.1 引言
輪-步復合移動較輪式移動具有更強的牽引通過能力。使用具備輪-步復合移動能力的火星車是完成我國火星探測任務，以及避免美國火星車運行中問題的有效手段。現有星球車移動系統的懸架多採用主副搖臂式，其結構簡單，在崎嶇地形行駛上具有顯著的平順性優勢。我國玉兔號月球車採用了該型懸架，科研人員在玉兔號的研製和使用過程中積累了豐富經驗，具有成熟的理論和技術。本文以主副搖臂式移動系統為基礎研製輪-步復合式火星車移動系統。本章中將給出火星車懸架幾何參數設計目標、設計約束、優化結果。並在此基礎上給出步行執行機構及其布置。
..........................
2.2 火星車輪-步復合移動系統功能需求和設計要求分析
2.2.1 移動系統設計要求及指標分析
火星車輪-步復合移動系統總體設計要求如下：
（1）外包絡尺寸要求 移動系統包絡尺寸中長度小於2m，高度小於1.5m，寬度由靜態穩定性決定；摺疊狀態下移動系統包絡體積應小於標稱狀態下移動系統包絡體積的70%；
（2）車廂離地間隙要求 車廂離地間隙可調整範圍為0~500mm；
（3）靜態穩定性要求 車輛前、後、左、右四個方向的靜態穩定角度均不低於45°；
（4）越障高度要求 障礙物坡度為70°時，車輪最大越障高度不低於300mm；
（5）爬坡角度要求 最大軟土坡爬坡角度不低於25°，最大硬質坡爬坡角度不低於30°；
（6）行駛速度要求 最大平地行駛速度不低於 150m/h，前、後兩個方向爬 25°鬆軟坡時行駛速度不低於 4m/h，前、後兩個方向通過鬆軟沙地時速度不低於 6m/h。
（7）質量特性要求 各構件的質量和質心位置的設置應使整車質量和質心域符合任務要求。
當火星車移動系統滿足上述指標時，其可以滿足火星探測任務對車輛幾何通過性、牽引通過性、行駛速度特性等性能的需要。
............................
第 3 章 輪-步復合移動模式下車輪-地面相互作用力學研究 ............................... 40
3.1 引言 ............................ 40
3.2 基於運動和受力的輪-步復合移動車輪狀態分析及分類 ......................... 40
第 4 章 面向爬坡和脫陷工況的輪-步復合蠕動爬行策略研究 ............................ 67
4.1 引言 ............................ 67
4.2 輪-步復合移動系統運動學和靜力學建模 .................... 67
第 5 章 火星車移動系統原理樣機研製和性能試驗 ........................... 102
5.1 引言 ................................ 102
5.2 火星車移動系統原理樣機搭建 ......................... 102
第 5 章 火星車移動系統原理樣機研製和性能試驗
5.1 引言
本章介紹移動系統原理樣機的研製情況，在控制軟體中嵌入了第 4.5 節中獲得的輪-步復合蠕動爬坡、脫陷時控制策略和方法。利用原理樣機作為測試平台，開展輪式爬 20°坡試驗、前後兩個方向輪-步復合蠕動爬 20°、23°或 25°坡試驗、前後兩個方向輪-步復合蠕動自主脫離 140mm 以上沉陷試驗、深度沉陷或跨越大尺寸垂直障礙時車輪獨立抬升試驗、著陸平台水平、俯仰 15°和側傾 15°時懸架展開試驗。根據各項試驗的結果對控制策略和方法的效果做出評價。
............................
結論
開展火星探測對於提升我國國際地位、推動科學技術進步、探索宇宙奧秘具有重要作用。火星車是重要的火星探測科研儀器載具，其移動系統的牽引通過能力是完成任務的重要保證。本文針對國外火星探測任務中火星車爬軟土陡坡能力差、大沉陷無法自主脫陷問題，提出一種六輪搖臂式火星車輪-步復合移動系統。該系統具備輪-步復合移動能力、懸架自主展開能力、車輪抬離/放回地面能力，比以往輪式星球車移動系統具有更強的地面通過性和生存能力。
本文所取得的主要成果如下：
（1）提出了一種解決輪式移動系統牽引通過能力不足問題的輪-步復合式移動系統。其懸架相對傳統搖臂式懸架的最大差別：將主搖臂在主搖臂和差動器輸出軸鉸接處分成兩段，分別與差動器輸出軸通過主動旋轉關節連接，兩關節通過機械傳動相關聯。本文給出懸架幾何參數優化設計目標、約束和方法，確定了懸架幾何參數，可以保證懸架折展過程中車廂與著陸平台平行，輪-步復合移動過程中車廂俯仰角的變化較小。
（2）面向輪-步復合移動爬坡和脫陷任務，按照運動和受力特性將輪-步復合移動中車輪分為三類：驅動輪、脫陷輪和止退輪。給出了各類車輪出力係數定義，並利用這些係數表徵車輪對懸架作用力延地面切向分量和方向分量間關係。給出了驅動輪掛鈎牽引力和脫陷輪行進阻力計算模型，並通過單輪試驗進行驗證。基於切應力-正應力間關係、朗肯土應力模型和太沙基彈性壓密核理論，提出了一種較為準確的止退輪最大後退阻力計算模型，並進行了試驗驗證。通過試驗明確了坡度和地上土體對止退輪後退阻力的影響。根據單輪試驗結果，給出了可發揮輪-步復合移動性能的車輪滑轉率和車輪出力係數控制期望。
（3）考慮火星車崎嶇地面低速行駛特性，建立了輪-步復合移動系統運動學和靜力學模型，從運動防干涉、保證穩定性、獲得許可最大步長等角度出發給出了懸架變形範圍。結合輪-步復合移動地面力學分析結果，給出了蠕動爬坡、蠕動脫陷時各輪出力分配原則。分析了前後兩個方向蠕動爬坡、蠕動脫陷時移動系統運動和力學特性。根據分析結果，提出了爬大坡度鬆軟破、大沉陷自主脫陷時火星車蠕動爬行控制策略和方法。給出了蠕動行走時改善輪-地接觸狀態的方法、大深度沉陷時抬升車輪以降低沉陷深度的方法。抬升車輪方法還可用以增強車輛的越障性能。
參考文獻（略）
1.1 課題背景及研究的目的和意義
1.1.1 課題來源及背景
1.1.1.1 課題來源
本課題來源於中國空間技術研究院與哈爾濱工業大學聯合技術研究課題：
（1）著陸巡視器移動分系統移動系統構型參數優化及動力學分析；
（2）基於控制的火星車移動機構運動學建模。 本課題還受到國家自然科學基金優秀青年基金項目：機器人地面力學及應用方法（項目號：51822502）的資助。
1.1.1.2 課題背景
火星是太陽系內和地球最為相似的行星，對於研究地球的演化具有借鑑意義。它也是除地球外最有可能孕育生命的行星科學家們一直在探討火星上是否有水，或是否曾經存在液態水。對於其土壤和大氣的研究是未來火星移民的基礎，決定著人類能否利用火星原位資源建立基地。只有火星表面探測才能很好地回答這些問題。
1971 年~1973 年，蘇聯成功地將兩台火星巡視器（Marskhod）送入火星大氣層，不幸的是它們均在著陸撞擊階段失去了聯繫[1]。
1996 年美國向火星發射了“火星探路者”（Pathfinder）火星車[2]，驗證了火星進入、下降和著陸方案，明確了氣囊緩衝著陸的可行性。該次任務中的“索傑娜”（Sojourner）火星車質量較輕，僅攜帶了有限的土壤和大氣探測設備，通過該任務獲得了火星土壤參數，確定了搖臂-轉向架式懸架在火星崎嶇地面上的優勢。
2004 年美國實施了“火星巡視者”（MER）項目[3]，發射了“勇氣號”（Sprit）[4]和 “機遇號”（Opportunity）火星車[5]，兩輛車配置基本相同，它們的質量和體積均較“索傑娜”大得多，但仍然採用氣囊緩衝著陸。它們攜帶了更多的科研設備，還帶有鑽探和採樣功能的機械臂，具備火星表面物質分析能力，“勇氣號”工作到 2010 年，“機遇號”工作到現在。
.............................
1.2 美國火星車運行中出現的問題
目前，美國已經成功部署了四輛火星車：索傑娜號(Sojourner)[5]、勇氣號(Spirit)[6]、機遇號(Opportunity)[6]和好奇號(Curiosity)[7]，使得美國獲得火星探測第一手信息，積累了大量的經驗和教訓，在設計我國火星車時可以加以借鑑。美國四輛火星車的懸架均採用搖臂-轉向架構型，除索傑娜號車輪是全剛性車輪外[8]，其它車的車輪均採用剛性輪和彈性輪輻方案[9-11]。受到車輪-土壤相互作用機理的限制，美國火星車移動系統的牽引通過能力有限，這制約了火星車的探測和生存能力。
1.2.1 大沉陷脫陷問題
火星土壤的承壓能力較差，車輪沉陷往往較深，車輪打滑嚴重。沉陷後車輪繼續旋轉，使得沉陷加劇，如圖 1-1 所示。因此，輪式車輛難以自主脫陷。
2006 年，勇氣號（Spirit）右前輪發生了故障，此後只能採用五個車輪倒車拖動故障輪行駛，行駛一段就要停下來觀察路面，右前輪的故障又導致其他車輪壽命的降低[14]。2009 年，在通過“特洛伊”沙丘（Troy）時，該車再次陷入沙土中導致右後輪也發生故障，單側兩個車輪故障時車輛失去繼續行駛的能力，只能在 2010 年轉為固定觀測平台[15]。
機遇號（Opportunity）也遇到過幾次車輪沉陷的危險。2005 年，機遇號曾陷入一片沙質山脊。雖然沙土深度僅約 30cm，但耗時 5 周才脫困。2008 年，其左前輪也發生了類似勇氣號的故障，幸運的是該故障在車輛倒車的過程中被消除了。2010 年 5 月，機遇號因害怕再次遇險，
主動地規避了位於維多利亞隕石坑（Victoria Crater）和努力隕石坑（Effort Crater）之間危險的沙丘。2013年，由於以往損耗導致機遇號移動系統出現故障，車輪驅動電流顯著增加[16]。因此，應增強車輛的軟土通過性和脫陷能力，避免車輪長時間大沉陷轉動。
...............................
第 2 章 六輪搖臂式火星車輪-步復合移動系統設計
2.1 引言
輪-步復合移動較輪式移動具有更強的牽引通過能力。使用具備輪-步復合移動能力的火星車是完成我國火星探測任務，以及避免美國火星車運行中問題的有效手段。現有星球車移動系統的懸架多採用主副搖臂式，其結構簡單，在崎嶇地形行駛上具有顯著的平順性優勢。我國玉兔號月球車採用了該型懸架，科研人員在玉兔號的研製和使用過程中積累了豐富經驗，具有成熟的理論和技術。本文以主副搖臂式移動系統為基礎研製輪-步復合式火星車移動系統。本章中將給出火星車懸架幾何參數設計目標、設計約束、優化結果。並在此基礎上給出步行執行機構及其布置。
..........................
2.2 火星車輪-步復合移動系統功能需求和設計要求分析
2.2.1 移動系統設計要求及指標分析
火星車輪-步復合移動系統總體設計要求如下：
（1）外包絡尺寸要求 移動系統包絡尺寸中長度小於2m，高度小於1.5m，寬度由靜態穩定性決定；摺疊狀態下移動系統包絡體積應小於標稱狀態下移動系統包絡體積的70%；
（2）車廂離地間隙要求 車廂離地間隙可調整範圍為0~500mm；
（3）靜態穩定性要求 車輛前、後、左、右四個方向的靜態穩定角度均不低於45°；
（4）越障高度要求 障礙物坡度為70°時，車輪最大越障高度不低於300mm；
（5）爬坡角度要求 最大軟土坡爬坡角度不低於25°，最大硬質坡爬坡角度不低於30°；
（6）行駛速度要求 最大平地行駛速度不低於 150m/h，前、後兩個方向爬 25°鬆軟坡時行駛速度不低於 4m/h，前、後兩個方向通過鬆軟沙地時速度不低於 6m/h。
（7）質量特性要求 各構件的質量和質心位置的設置應使整車質量和質心域符合任務要求。
當火星車移動系統滿足上述指標時，其可以滿足火星探測任務對車輛幾何通過性、牽引通過性、行駛速度特性等性能的需要。
............................
第 3 章 輪-步復合移動模式下車輪-地面相互作用力學研究 ............................... 40
3.1 引言 ............................ 40
3.2 基於運動和受力的輪-步復合移動車輪狀態分析及分類 ......................... 40
第 4 章 面向爬坡和脫陷工況的輪-步復合蠕動爬行策略研究 ............................ 67
4.1 引言 ............................ 67
4.2 輪-步復合移動系統運動學和靜力學建模 .................... 67
第 5 章 火星車移動系統原理樣機研製和性能試驗 ........................... 102
5.1 引言 ................................ 102
5.2 火星車移動系統原理樣機搭建 ......................... 102
第 5 章 火星車移動系統原理樣機研製和性能試驗
5.1 引言
本章介紹移動系統原理樣機的研製情況，在控制軟體中嵌入了第 4.5 節中獲得的輪-步復合蠕動爬坡、脫陷時控制策略和方法。利用原理樣機作為測試平台，開展輪式爬 20°坡試驗、前後兩個方向輪-步復合蠕動爬 20°、23°或 25°坡試驗、前後兩個方向輪-步復合蠕動自主脫離 140mm 以上沉陷試驗、深度沉陷或跨越大尺寸垂直障礙時車輪獨立抬升試驗、著陸平台水平、俯仰 15°和側傾 15°時懸架展開試驗。根據各項試驗的結果對控制策略和方法的效果做出評價。
............................
結論
開展火星探測對於提升我國國際地位、推動科學技術進步、探索宇宙奧秘具有重要作用。火星車是重要的火星探測科研儀器載具，其移動系統的牽引通過能力是完成任務的重要保證。本文針對國外火星探測任務中火星車爬軟土陡坡能力差、大沉陷無法自主脫陷問題，提出一種六輪搖臂式火星車輪-步復合移動系統。該系統具備輪-步復合移動能力、懸架自主展開能力、車輪抬離/放回地面能力，比以往輪式星球車移動系統具有更強的地面通過性和生存能力。
本文所取得的主要成果如下：
（1）提出了一種解決輪式移動系統牽引通過能力不足問題的輪-步復合式移動系統。其懸架相對傳統搖臂式懸架的最大差別：將主搖臂在主搖臂和差動器輸出軸鉸接處分成兩段，分別與差動器輸出軸通過主動旋轉關節連接，兩關節通過機械傳動相關聯。本文給出懸架幾何參數優化設計目標、約束和方法，確定了懸架幾何參數，可以保證懸架折展過程中車廂與著陸平台平行，輪-步復合移動過程中車廂俯仰角的變化較小。
（2）面向輪-步復合移動爬坡和脫陷任務，按照運動和受力特性將輪-步復合移動中車輪分為三類：驅動輪、脫陷輪和止退輪。給出了各類車輪出力係數定義，並利用這些係數表徵車輪對懸架作用力延地面切向分量和方向分量間關係。給出了驅動輪掛鈎牽引力和脫陷輪行進阻力計算模型，並通過單輪試驗進行驗證。基於切應力-正應力間關係、朗肯土應力模型和太沙基彈性壓密核理論，提出了一種較為準確的止退輪最大後退阻力計算模型，並進行了試驗驗證。通過試驗明確了坡度和地上土體對止退輪後退阻力的影響。根據單輪試驗結果，給出了可發揮輪-步復合移動性能的車輪滑轉率和車輪出力係數控制期望。
（3）考慮火星車崎嶇地面低速行駛特性，建立了輪-步復合移動系統運動學和靜力學模型，從運動防干涉、保證穩定性、獲得許可最大步長等角度出發給出了懸架變形範圍。結合輪-步復合移動地面力學分析結果，給出了蠕動爬坡、蠕動脫陷時各輪出力分配原則。分析了前後兩個方向蠕動爬坡、蠕動脫陷時移動系統運動和力學特性。根據分析結果，提出了爬大坡度鬆軟破、大沉陷自主脫陷時火星車蠕動爬行控制策略和方法。給出了蠕動行走時改善輪-地接觸狀態的方法、大深度沉陷時抬升車輪以降低沉陷深度的方法。抬升車輪方法還可用以增強車輛的越障性能。
參考文獻（略）
收藏