基于Vortex的火星車爬坡與行進間轉向性能分析

許 鵬， 蘇 波， 江 磊， 劉興杰， 盧玉傳

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

基于Vortex的火星車爬坡與行進間轉向性能分析

許 鵬， 蘇 波， 江 磊， 劉興杰， 盧玉傳

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

為實現對火星車整體性能的評估，完成對整車簡化模型的初步性能分析，采用Vortex多體動力學系統(tǒng)建立整車機構動力學與輪壤力學模型，并對火星車在爬坡、行進間轉向兩種典型的工況下的車輪掛鉤牽引力、車輪沉陷量、車輪滑轉率、車輪法向力等性能參數進行了仿真和評估，其結果可為樣機的研制提供重要的參考依據.

火星車；輪壤力學；機構動力學；移動性能；Vortex

隨著人類對火星的探測，部分探測結果已經發(fā)現，火星上存在人類賴以生存的水源，火星在太陽系中所處的位置以及火星上的生存環(huán)境與地球極為相似,因此，火星的探測也激起了人類對其探測的更大興趣.在火星的探測過程中，火星車為火星表面探測的巡視器，是整個火星探測過程中必不可少的工具，利用其對火星表面進行探測，可以獲取大量火星表面資料，完成火星的科學探測.而火星土壤的特性將會影響火星車的移動性能，況且火星車在火星表面處于微重力條件，因此，根據火星土壤的特性，從傳統(tǒng)經典的輪壤力學模型出發(fā)，在低重力模擬環(huán)境下，建立火星車輪壤力學模型以及火星車機構多體動力學模型顯得非常關鍵，從而在該環(huán)境下完成對火星車移動性能的評估.

目前，國內仿真研究仍處于起步階段，大部分仿真研究仍然采用通用仿真工具，而且有些仿真僅限于運動學仿真，其中，哈爾濱工業(yè)大學RCAMC實驗室采用ADAMS動力學仿真軟件進行了不同構型的星球車結構優(yōu)化，并且利用ADAMS接觸力約束進行了月球車動力學模型和仿真分析[1-2]，并基于此平臺實現輪地力學模型的二次開發(fā)，實現了在ADAMS平臺下地面力學與動力學的聯(lián)合仿真.

Vortex是實時交互式動力學仿真平臺，由加拿大CMLabs公司研發(fā)，主要應用于地面車輛、水下機器人、空間探測器等物理系統(tǒng)精確動力學建模與實時仿真的開發(fā)，目前國內研究機構雖已研發(fā)出自己的星球車仿真平臺，但是仿真的速度與動力學的建模不是非常完善[3-6]，因此，有必要開發(fā)出高速、高精度的動力學仿真平臺，同時能夠進行動力學算法優(yōu)化，而后在此平臺基礎上實現高保真度和實時的火星車移動性能評估.

哈爾濱工業(yè)大學和我單位目前已經對月球車基于Vortex平臺實現了月球車輪壤力學以及機構動力學仿真分析[7-8]，為下一步火星車的建模與動力學分析提供了重要的星球車移動性能評估參考.

本研究基于Vortex平臺對火星車機構動力學與輪壤動力學模型進行了仿真分析，得到了車體運動系統(tǒng)與火星土壤之間的交互特性，如輪子掛鉤牽引力、車輪沉陷量、車輪滑轉率等交互參數，進而為巡視器的設計、控制提供可借鑒的理論參考.

1 火星車輪壤力學模型

基于火星土壤力學特性調研結論，建立輪壤參數力學模型，并建立典型的火星土壤力學參數庫；基于多體動力學系統(tǒng)的軟土模塊，創(chuàng)建具有坡面、平面、障礙等典型工況的火星模擬地形，實現軟土特性和不同障礙的有機結合.經火星土壤調研分析，選用Reece力學模型來建立火星土壤承壓與剪切模型[9].

在Reece力學模型中，正應力為

(1)

在Reece力學模型中，法向應力為

(2)

式中：θf為接近角；θm為法向最大應力點；r為車輪半徑.

剪應力采用Janosi和Hanamoto公式(3)計算.

(3)

式中：τ為剪應力；c為土壤內聚力；φ為內摩擦角；K為剪切模量；j為土壤剪切位移.

Reece模型采用輪下應力積分法計算輪壤作用關系[10]，其方程為

(4)

(5)

(6)

式中：W為車輪法向力；D為車輪掛鉤牽引力；T為土壤阻力矩；θr為離去角.

車輪側向力包括車輪底面?zhèn)认蚣羟型寥喇a生的阻力和車輪側面土壤擠壓產生的推土阻力，其中推土阻力模型以沉陷量作為參量進行估算[11]，車輪側向力計算方程為：

(7)

定義車輪驅動過程中的車輪縱向滑轉率s為：

(8)

式中：ω為車輪驅動角速度；v為車體實際平均速度.

2 火星車機構多體動力學模型

依據整車機構的幾何尺寸、質量屬性、連接剛度等參數，建立火星車的機構多體動力學模型，如圖1所示.該模型能夠模擬火星車不同工況下的運動狀態(tài)，真實反映機構各個部件的作用力與運動的關系.

圖1 火星車整車模型

該行走系統(tǒng)采用對稱式設計，車體左右兩側對稱分布搖臂懸架裝置，每一個懸架裝置連接3個車輪，每個車輪設置轉向驅動裝置，可實現每個車輪獨立轉向；車體與懸架采用差動機構的方式連接，其運動約束關系體現為：兩側懸架的角度輸入之和為車體俯仰角度的兩倍.

考慮到火星車速度非常低，且本體結構設計無彈性裝置，因此，在多剛體機構體動力學建模過程中，不必考慮柔性部分，可將車體、車輪等部件視為剛體進行動力學實時解算.

主搖臂與副搖臂連接、主搖臂與轉向架連接采用鉸接約束，左右懸架和車體之間采用差速器約束，輪地接觸過程中，采用Vortex內嵌的輪壤模塊產生非完整約束，聯(lián)合材質、車輛等模塊建立車輪和地面的約束關系.

根據桿件質量、質心、轉動慣量、角輪半徑、寬度等信息，結合桿件間的運動關系，建立連接副約束關系，實現火星車機構與輪壤物理模型與場景模型的建模，建模流程如圖2所示.

圖2 火星車機構與輪壤動力學模型建立流程

整個仿真系統(tǒng)的動力學解算都是通過Vortex實時物理仿真引擎的核心模塊的碰撞檢測及動力學解算部分完成.

3 火星車移動性能仿真實驗分析

3.1 爬坡性能仿真

選取不同坡度的軟土斜坡路面作為典型工況進行了仿真實驗，如圖3所示.通過設定相同的輪子轉速與最大輸出扭矩，進而對比分析車輪的輪壤作用參數與坡度之間的關系.

圖3 爬坡工況

為清晰分析法向力、掛鉤牽引力、滑轉率、沉陷量隨路面坡度變化的關系，取0°、3°、6°、9°、12°、15°軟質坡面分別進行仿真，結果如圖4所示.

由圖4分析可知：隨著坡度的增加，后輪的法向力增加，前輪和中輪的法向力減小，前中后輪的掛鉤牽引力增加，滑轉率增加，前中后輪在相同的坡度角滑轉率接近，沉陷量與法向力的變化趨勢相同，后輪增加的較明顯.

圖4 輪壤作用參數對比分析

3.2 行進間轉向性能仿真

在行進間轉向工況中測試輪子側向力、滑轉率、沉陷量、掛鉤牽引力及土壤阻力矩等參數.在行進間轉向過程中，中輪無轉向角，前后車輪驅動轉向電機，使車輪旋轉的線速度垂直于車體轉向半徑，該轉向模式相比差速轉向消耗的能量小，原理如圖5所示.

圖5 行進間轉向原理圖

按照最小轉向半徑要求，行進間轉向角度關系為：

(9)

式中：L為車體長度；R為轉向半徑；θ為轉向角.

由圖6可知:行進間轉向(左轉)各車輪的掛鉤牽引力、滑轉率、土壤阻力矩、側向力有所不同.隨著轉向角的增加，左前輪與左后輪由于轉向角大于右前輪與右后輪，因此左前輪與左后輪的側向力較大，且增速較快，中輪側向力接近0；左側車輪掛鉤牽引力增加，右側車輪掛鉤牽引力減小，前輪的掛鉤牽引力相對大一些，中輪最小；左側車輪滑轉率增加，右側車輪滑轉率減小，前輪的滑轉率相對大一些，中輪最?。蛔髠溶囕喪艿降耐寥雷枇卦黾?，右側車輪受到的土壤阻力矩減小，前輪受到的土壤阻力矩相對大一些，中輪最小.

圖6 行進間轉向性能分析

4 結 論

基于Vortex多體動力學系統(tǒng)建立整車機構動力學與輪壤多體動力學模型，利用該系統(tǒng)高實時性與高準確度的優(yōu)勢，以及對不同輪壤力學作用模型的嵌入與支持，對整車以及輪壤交互搭建三維可視化分析界面，采用Vortex測試了火星車在爬坡、行進間轉向兩種典型工況下的爬坡性能與行進間轉向性能，并對火星車的車輪掛鉤牽引力、車輪沉陷量、車輪滑轉率、車輪法向力等輪壤作用參數進行不同坡度角與不同轉向角下的對比分析，仿真實驗與分析結果將為樣機的詳細設計提供非常重要的參考.

[1] 王 巍，梁 斌. 基于虛擬樣機技術的月球機器人運動仿真[J]. 高技術通訊，2002,(2)：84-87.

[2] 焦 震. 基于地面力學的月球產業(yè)動力學建模與仿真研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文，2009.

[3] 駱訓紀，孫增圻. 月球漫游車仿真系統(tǒng)研究[J]. 系統(tǒng)仿真學報，2002,14(9)：1235-1238.

[4] 尚建忠，羅自榮，張新訪. 兩種輪式月球車懸架方案及其虛擬樣機仿真[J]. 中國機械工程,2006,17(1):49-52.

[5] 丁 亮. 星球車輪地相互作用地面力學模型及其應用[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文，2009.

[6] 仝 光. 基于ADAMS的月球車仿真平臺研究[D]. 吉林:吉林大學碩士學位論文，2007.

[7] 江 磊，郭建娟. 基于Vortex的月球車仿真技術[J]. 農業(yè)機械學報，2012，43(z1):352-356

[8] 賈彥輝. 基于Vortex的月球車移動性能評估與實現[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文，2010.

[9] Genya Ishigami, Akiko Miwa, Keiji Nagatani, etal. Terramechanics-based Analysis and control for Lunar/Planetary Exploration Robots[D].TOHOKU UNIVERSITY Graduate School of Engineering，2008.

[10]WONG J Y.REECE A R. Prediction of rigid wheel performance based on analysis of soil-wheel, stresses, part I: Performance of driven rigid wheels[J]. Journal of Terramechanics,1967,4(1),81-98.

[11]毛 寧. 六輪搖臂巡視器建模仿真與試驗研究[D]. 長春：長春理工大學博士學位論文，2014.

Analysis of Climbing and Steering during Driving Performance forMars Rover Based on Vortex Physics Engine

XU Peng, SU Bo, JIANG Lei, LIU Xing-jie, LU Yu-chuan

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072,China)

In order to achieve the evaluation of Mars rover overall performance, and complete the preliminary performance analysis of the simplified vehicle model, the vehicle mechanism dynamics and tire-soil mechanics is estabished with Vortex physics engine in this paper. Through the establishment of two kinds of typical working conditions, including climbing and steering during driving, the mobility performance parameters such as the wheel drawbar pull, the wheel sinkage, the wheel slip ratio and the wheel normal force are simulated and evaluated. The results can provide the important reference basis for the development of the prototype.

mars rover; tire-soil mechanics; mechanism dynamics; mobility performance; Vortex

1009-4687(2017)01-0011-04

2017-01-13.

許鵬(1988-)，男，工程師，研究方向為智能機器人控制與動力學仿真.

U270.1+1

A