火星車轉(zhuǎn)移坡道機(jī)構(gòu)展開策略分析與驗(yàn)證

鄢青青，劉 衛(wèi)，滿劍鋒，朱 瑪，周 東，劉 學(xué)

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

引 言

在星球巡視探測(cè)任務(wù)中，星球車一般不能直接降落在星球表面，需通過著陸器進(jìn)行搭載，待著陸器軟著陸后，通過轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)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(shí)存在非常多的不確定性[3]，因此展開策略對(duì)于星球車能否安全轉(zhuǎn)移至關(guān)重要。前蘇聯(lián)月球車于1973年發(fā)射，安裝了2個(gè)懸梯，布置在巡視器兩側(cè)，巡視器可選擇前后任一懸梯行駛到月球表面[4-5]。“火星探路者”（Mars PathFinder，MPF）于1996年發(fā)射，火星車?yán)?條收攏在側(cè)板上的柔性坡道進(jìn)行轉(zhuǎn)移，可根據(jù)地形等因素選擇前后任一方向進(jìn)行轉(zhuǎn)移[6-7]。2003年發(fā)射的火星探測(cè)巡視器（Mars Exploration Rover，MER）繼承了MPF的著陸平臺(tái)，著陸器側(cè)板展開后，連接在側(cè)板之間的纖維布隨之展開，在MER的3個(gè)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(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)移[8-9]。2013年12月2日，中國(guó)發(fā)射“嫦娥3號(hào)”探測(cè)器，“玉兔號(hào)”月球車在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)展開后移至月球表面，該轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)為固定方向展開[10-11]。由目前的探測(cè)器可知，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)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(cè)任務(wù)為背景，受限于包絡(luò)空間，巡視器無法安裝2套火星車轉(zhuǎn)移坡道機(jī)構(gòu)，針對(duì)有限的1套坡道機(jī)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)2個(gè)方向的火星車轉(zhuǎn)移通道，在不更改原有機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)與數(shù)管軟件進(jìn)行聯(lián)試試驗(yàn)，驗(yàn)證了自主展開策略的可行性及有效性。

1 坡道機(jī)構(gòu)展開原理

為了便于分析，定義著陸器坐標(biāo)系（O-XYZ）為全局坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)O位于著陸器平臺(tái)上表面的幾何中心；X垂直于著陸器平臺(tái)的表面，向上為正；Z軸與著陸平臺(tái)上的坡道平行，指向卷筒組件方向?yàn)檎籝軸方向根據(jù)右手定則確定，如圖1所示。坡道機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的展開方向；③當(dāng)抽展到預(yù)定位置后，坡道機(jī)構(gòu)在擺轉(zhuǎn)裝置及重力矩作用下，進(jìn)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(tái)駛?cè)牖鹦潜砻妗?/p>

由于坡道機(jī)構(gòu)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(duì)在軌可能的一系列故障，提出了坡道機(jī)構(gòu)自主展開策略，實(shí)現(xiàn)了火星車2個(gè)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(biāo)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(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部分，卷筒組件在電機(jī)驅(qū)動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)抽展，電機(jī)采用雙繞組備份。為防止電機(jī)過流，超過機(jī)構(gòu)承受能力，設(shè)置了過流閾值，同時(shí)在坡道機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中對(duì)電機(jī)電流、轉(zhuǎn)向等參數(shù)進(jìn)行遙測(cè)，當(dāng)抽展方向的兩個(gè)到位開關(guān)均為到位狀態(tài)，則電機(jī)斷電，認(rèn)為坡道機(jī)構(gòu)擺轉(zhuǎn)到位。

在抽展過程中，針對(duì)落火后可能出現(xiàn)的故障，設(shè)計(jì)了以下故障工作模式：

1）若運(yùn)行過程中遇到小石子、堆積的灰塵等，繞組電流異常過大時(shí)，說明機(jī)構(gòu)阻力很大，不能正常工作，對(duì)電機(jī)進(jìn)行斷電并進(jìn)行反轉(zhuǎn)控制，將坡道退回一段距離后再重新嘗試展開動(dòng)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(shí)，則切換至點(diǎn)動(dòng)工作模式，電機(jī)進(jìn)行短時(shí)間工作，點(diǎn)動(dòng)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(jī)構(gòu)能短時(shí)大力越過障礙。

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

4）若點(diǎn)動(dòng)模式亦無法突破障礙，則認(rèn)為該方向無法實(shí)現(xiàn)展開，此時(shí)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，將坡道機(jī)構(gòu)沿另一方向進(jìn)行展開，確保任務(wù)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(jī)構(gòu)自主展開策略，如圖2所示。在火工品解鎖后，坡道機(jī)構(gòu)自主展開流程如下：

1）數(shù)管軟件按照落點(diǎn)信息判斷展開方向并控制坡道機(jī)構(gòu)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

2）坡道初始抽展，電流正常，則坡道以正常模式繼續(xù)運(yùn)行。若電機(jī)過流，則進(jìn)入倒轉(zhuǎn)模式。

3）倒轉(zhuǎn)模式3次后，若電機(jī)過流，則進(jìn)入點(diǎn)動(dòng)模式，點(diǎn)動(dòng)模式中對(duì)電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)：

圖2 坡道機(jī)構(gòu)自主展開策略Fig. 2 Autonomous deployment strategy of transfer ramps

（1）若點(diǎn)動(dòng)模式中電流正常，則仍以正常模式繼續(xù)運(yùn)行；

（2）若點(diǎn)動(dòng)模式中，電機(jī)過流，則再次以點(diǎn)動(dòng)模式運(yùn)行，最多3次點(diǎn)動(dòng)。

4）若點(diǎn)動(dòng)次數(shù)達(dá)到3次時(shí)，電機(jī)仍過流，若電機(jī)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(jī)待命。

5）坡道反向抽展后，電機(jī)正常模式運(yùn)行過程中，檢測(cè)到電機(jī)過流，則先進(jìn)入倒轉(zhuǎn)模式；倒轉(zhuǎn)模式3次后，如電機(jī)過流，再進(jìn)入點(diǎn)動(dòng)模式。

6）坡道反向抽展、點(diǎn)動(dòng)模式后：

（1）若點(diǎn)動(dòng)模式中電流正常，則仍以正常模式繼續(xù)運(yùn)行；

（2）若點(diǎn)動(dòng)模式中，電機(jī)過流，則再次以點(diǎn)動(dòng)模式運(yùn)行，最多3次點(diǎn)動(dòng)；

（3）若點(diǎn)動(dòng)次數(shù)達(dá)到3次，仍出現(xiàn)電機(jī)過流，則停機(jī)待命。

3 展開策略試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證坡道機(jī)構(gòu)自主展開策略的可行性及有效性，進(jìn)行了坡道機(jī)構(gòu)與數(shù)管軟件聯(lián)試試驗(yàn)。通過在坡道上各設(shè)置2個(gè)氣球用于模擬火星3/8g的重力場(chǎng)條件，同時(shí)在坡道展開路徑上（ ±Z方向）各設(shè)置足夠重的障礙物，如圖3所示，模擬坡道機(jī)構(gòu)雙邊受堵而無法展開工況，用以對(duì)坡道機(jī)構(gòu)自主展開策略進(jìn)行全面覆蓋及驗(yàn)證。

圖3 坡道機(jī)構(gòu)與數(shù)管軟件聯(lián)試試驗(yàn)方案Fig. 3 The joint test of transfer ramps and data management software

參加聯(lián)試試驗(yàn)為裝配完整的坡道機(jī)構(gòu)，呈收攏狀態(tài)安裝在模擬平臺(tái)上，如圖4所示，試驗(yàn)人員通過手動(dòng)拔銷解鎖后，數(shù)管軟件驅(qū)動(dòng)坡道機(jī)構(gòu)，按正常模式沿-Z方向展開，直至遇障礙物1而過流停機(jī)，隨后切換為故障模式展開，由于電機(jī)輸出力矩不足以推翻障礙物1，坡道機(jī)構(gòu)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(jī)，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(jī)停機(jī)，坡道機(jī)構(gòu)抽展待命。

圖4 坡道機(jī)構(gòu)安裝至模擬平臺(tái)上Fig. 4 Installation of transfer ramps on simulation platform

圖5為坡道機(jī)構(gòu)自主展開策略驗(yàn)證示意圖，正常模式展開過程中電機(jī)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(dāng)坡道機(jī)構(gòu)沿-Z方向展開第一次過流停機(jī)后實(shí)現(xiàn)了3次倒轉(zhuǎn)及3次點(diǎn)動(dòng)（遇障礙物1），均未能克服阻力，則電機(jī)由主份切為備份工作，再次嘗試展開，過流停機(jī)后又進(jìn)行了3次倒轉(zhuǎn)及3次點(diǎn)動(dòng)（遇障礙物1），均未能克服阻力，此時(shí)坡道機(jī)構(gòu)嘗試反向抽展（沿+Z方向），同樣在第一次過流停機(jī)后（遇障礙物2），實(shí)現(xiàn)了3次倒轉(zhuǎn)及3次點(diǎn)動(dòng)，均未能克服阻力，則電機(jī)斷電停機(jī)。

綜上可知，坡道機(jī)構(gòu)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)及過流狀態(tài)等遙測(cè)參數(shù)正常，充分驗(yàn)證了坡道機(jī)構(gòu)自主展開策略的可行性及有效性，且電機(jī)從運(yùn)行開始至斷電停機(jī)共耗時(shí)864 s，考慮到聯(lián)試過程中障礙物擺放位置未能達(dá)到坡道機(jī)構(gòu)運(yùn)行最遠(yuǎn)端，因此坡道機(jī)構(gòu)自主展開策略最長(zhǎng)路徑耗時(shí)應(yīng)不少于864 s。

圖5 坡道機(jī)構(gòu)雙邊受堵時(shí)自主展開策略驗(yàn)證Fig. 5 Verification on deployment strategy of transfer ramps when two sides are blocked

圖6 坡道機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)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(jié) 論

受限于包絡(luò)空間，巡視器無法安裝2套火星車轉(zhuǎn)移坡道機(jī)構(gòu)，針對(duì)有限的1套坡道機(jī)構(gòu)，考慮其在軌可能出現(xiàn)的各種故障，在不更改原有機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)了一套轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)可提供2個(gè)轉(zhuǎn)移通道的突破。通過將坡道機(jī)構(gòu)與數(shù)管軟件進(jìn)行聯(lián)試試驗(yàn)，模擬坡道機(jī)構(gòu)雙邊受堵而無法展開工況，試驗(yàn)過程中各項(xiàng)遙測(cè)參數(shù)正常，全面覆蓋了自主展開策略的各項(xiàng)流程，充分驗(yàn)證了坡道機(jī)構(gòu)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。