仿尺蠖型火星車設(shè)計與驗證

張旺軍，黨兆龍，陶 灼，賈 陽，陳百超，潘 冬

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

0 引 言

隨著火星探測任務(wù)的不斷深入，火星車作為開展火星表面巡視探測的最常用工具，已成為相關(guān)國家開展火星探測研制的焦點。

美國已成功發(fā)射了并投入的三代火星車(旅居者、勇氣號/機遇號、好奇號/毅力號)均為被動懸架式火星車，在火星表面運行過程中出現(xiàn)了車輪沉陷、爬坡困難和托底等問題，除火星表面地形復(fù)雜的原因外，最主要的原因是采用的被動懸架無法調(diào)整車體高度。因此，近年來主動懸架因可調(diào)整車體高度而成為星球車研究的重要方向。

美國噴氣推進實驗室提出了一種微小型四輪主動懸架，該懸架使火星車具有多變的結(jié)構(gòu)，具有良好的自校正功能，但只適用于微小型火星車。噴氣推進試驗室還提出了一種SRR(Sample return rover)四輪主動懸架，該懸架可以調(diào)節(jié)車體高度，提高了火星車的越障能力和爬坡能力，但不能解決車輪沉陷的問題。歐洲ExoMars巡視器采用了一種六輪式的主動懸架形式，采用了3個相同的平行架，具有較好的地形適應(yīng)性，但是車輪沉陷脫困能力較差。國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了一種適用六輪月球車的串聯(lián)鉸接多關(guān)節(jié)懸架，該懸架為主被動混合的系統(tǒng)，可通過蠕動提高脫困能力，也可通過抬輪主動跨越較大的溝和臺階，該懸架的不足之處在于機構(gòu)繁多復(fù)雜，控制難度大。作者團隊受自然界尺蠖運動的啟發(fā)，在主動懸架式火星車的基礎(chǔ)上，提出了一種仿尺蠖型主動懸架系統(tǒng)，以最少的資源解決上述問題。迄今為止，尚未檢索出將尺蠖運動應(yīng)用于巡視器的相關(guān)文獻。

本文設(shè)計一種仿尺蠖型火星車，作為主動懸架式火星車的一種，它采用由搖臂式被動懸架改造的主動懸架，可以模仿尺蠖運動的特征提高驅(qū)動力實現(xiàn)車輪沉陷脫困，還可抬升車體高度實現(xiàn)大型障礙物通過,降低車體高度實現(xiàn)大角度坡面爬升。擬開展地面試驗對該所設(shè)計的仿尺蠖型火星車進行驗證。

1 仿尺蠖型火星車工作原理

尺蠖是尺蠖蛾幼蟲的總稱，屬于節(jié)肢動物。尺蠖身體細長，主要由頭部、尾部和軀體三部分組成，行動時一屈一伸像個拱橋，休息時身體伸直狀如樹枝。具備模仿尺蠖運動特征的火星車稱為仿尺蠖型火星車。把仿尺蠖型火星車的前輪看成尺蠖的頭部，后輪和中輪看成尺蠖的尾部，主前搖臂和主后搖臂可以看成尺蠖的軀體，火星車的懸架結(jié)構(gòu)從形態(tài)上接近尺蠖，如圖1所示。

圖1 仿尺蠖型火星車主動懸架原理圖Fig.1 Schematic diagram of the active suspension of the inchworm-like rover

仿尺蠖型火星車最重要的功能是通過車體的抬升和下降模仿尺蠖運動，一個周期的尺蠖運動分四個階段，尺蠖運動前半周期，夾角調(diào)整機構(gòu)運動，車體抬升，同時前輪不動，中輪和后輪向前滾動，前輪和中輪輪間距變小，如圖2(a)所示；尺蠖運動后半周期，夾角調(diào)整機構(gòu)運動，車體下降，同時前輪向前滾動，中輪和后輪不動，前輪和中輪輪間距變大，如圖2(c)所示。往復(fù)上述運動，實現(xiàn)尺蠖運動。

圖2 火星車模擬尺蠖運動示意圖Fig.2 Schematic diagram of the rover imitating inchworm motion

仿尺蠖型火星車運動的原理在于車體抬升或降低的過程中，車輪需要配合車體的運動進行旋轉(zhuǎn)，使輪間距發(fā)生周期性的變化，實現(xiàn)尺蠖運動。尺蠖運動過程中車輪的受力如圖3所示，而常規(guī)移動狀態(tài)下車輪的受力如圖4所示。從圖中可見，在尺蠖運動中，通過主動輪和制動輪的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了受力的改變，將車輪的阻力轉(zhuǎn)換為車輪的驅(qū)動力，從而提高整車的通過能力。

圖3 尺蠖運動下整車受力狀態(tài)Fig.3 Stress state of the Mars rover during the inchworm-like motion

圖4 常規(guī)移動時整車受力狀態(tài)Fig.4 Stress state of the Mars rover during the normal motion

常規(guī)移動整車掛鉤牽引力可表示為式(1)，尺蠖運動前半周期整車掛鉤牽引力和后半周期整車掛鉤牽引力可表示為式(2)和式(3)。

+]-[sin()-sin()]}

(1)

+]-2[sin()-sin()]}

(2)

+]+2[sin()-sin()]}

(3)

式中：為車輪半徑，本文取0.15 m;為車輪寬度，本文取0.15 m;為車輪正應(yīng)力;為車輪切應(yīng)力;為進入角;為正應(yīng)力、切應(yīng)力最大值所在角度。

僅考慮靜沉陷量，則進入角為：

(4)

式中：為車輪沉陷量。

正應(yīng)力、切應(yīng)力最大值所在角度為：

=(+)

(5)

式中：,與土壤特性有關(guān)，通常取≈04，∈[0,03]。

滑轉(zhuǎn)率的定義為：

(6)

式中：為車輪轉(zhuǎn)速;為車輪前進速度。

根據(jù)式(1)～(6)，可以繪出車輪沉陷量和牽引力的關(guān)系曲線，如圖5所示。從圖中可見，車輪沉陷0.05 m，尺蠖運動相對常規(guī)移動，牽引力增加80%；常規(guī)移動狀態(tài)下，車輪沉陷超過0.12 m將無法脫困，采用尺蠖運動則可在車輪沉陷0.3 m時實現(xiàn)脫困。

圖5 不同運動模式車輪沉陷量與牽引力關(guān)系曲線Fig.5 Curves of relationship between wheel sinkage and traction force in different motion modes

本文提出的仿尺蠖型火星車是一種主動懸架式火星車(圖6(a))，它和被動懸架式火星車(圖6(b))最核心區(qū)別在于主前搖臂和主后搖臂間是否可以運動,如果兩者為固定連接，就變成被動懸架式火星車。從圖6中可見，仿尺蠖型火星車懸架系統(tǒng)的每一側(cè)僅比被動懸架式火星車多一套夾角調(diào)整機構(gòu)。

圖6 仿尺蠖型火星車和被動懸架式火星車對比圖Fig.6 Comparison of inchworm-like Mars rover and Mars rover with passive suspension

仿尺蠖型火星車和被動懸架式火星車的性能對比見表1?？梢姡鲁唧缎突鹦擒嚳梢越鉀Q火星車在火星表面遇到的4種難題。

表1 仿尺蠖型火星和被動懸架式火星車性能對比Table 1 Performance comparison of the inchworm-like Mars rover and the Mars rover with passive suspension

2 仿尺蠖型火星車設(shè)計

2.1 移動系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)識別

基于仿尺蠖型火星車工作的原理，仿尺蠖型火星車設(shè)計的首要工作就是設(shè)計其移動系統(tǒng)，如圖7所示，懸架主要包括主前搖臂、主后搖臂和副搖臂。

圖7 仿尺蠖型火星車主動懸架示意圖Fig.7 Schematic diagram of active suspension of the inchworm-like Mars rover

為了便于分析計算，將移動系統(tǒng)進行簡化，簡化后的移動系統(tǒng)如圖8所示，火星車移動系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)識別為：夾角調(diào)整機構(gòu)軸線和前輪軸線的距離等效為主搖臂前半段，長度為；制動器和夾角調(diào)整機構(gòu)軸線的距離等效為主搖臂后半段，長度為；假設(shè)制動器和中、后輪軸線的距離相等，等效為半段副搖臂，長度為；中、前輪和中、后輪輪間距和，前、后輪最外緣的距離為，主搖臂間夾角為，主搖臂后半段與水平線間夾角為，副搖臂間前后半段間夾角為。通過計算給出火星車在4種不同高度下的關(guān)鍵參數(shù)見表2。

圖8 簡化后的火星車移動系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)Fig.8 Key parameters of the simplified locomotion system of the Mars rover

表2 不同車體抬升高度下移動系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)Table 2 Key parameters of the locomotion system with different rover body lift heights

2.2 沉陷脫困設(shè)計

仿尺蠖型火星車最核心的特點是通過尺蠖運動，提高車輪的驅(qū)動力，實現(xiàn)沉陷的脫困?；鹦擒嚦唧哆\動具體過程如下：車體從初始狀態(tài)(車體高度300 mm)抬升，前輪不動，中輪和后輪同步向前轉(zhuǎn)動，輪間距變小，中、后輪在主后搖臂和副搖臂的拉動下向前移動，如圖9(a)所示；隨后車體下降，前輪向前轉(zhuǎn)動，中輪和后輪不動，前輪與中后輪的輪間距變大，前輪在主前搖臂推動下向前移動，如圖9(b)所示，從而實現(xiàn)向前一個周期的移動。如此反復(fù)多次后，火星車將駛離沉陷區(qū)。

圖9 火星車向前尺蠖運動過程圖Fig.9 Schematic diagram of the forward inchworm motion process of the Mars rover

在車體下降和抬升過程中控制車輪旋轉(zhuǎn)的順序和方向，還可以實現(xiàn)火星車向后的運動，這是自然界尺蠖運動的擴展。過程為：車體抬升過程中，中、后輪不動，前輪向后旋轉(zhuǎn)并移動，輪間距變小，如圖10(a)所示；車體下降過程中，前輪不動，中、后輪向后旋轉(zhuǎn)并移動，輪間距變大，從而實現(xiàn)向后一個周期的移動，如圖10(b)所示。

圖10 火星車向后尺蠖運動過程示意圖Fig.10 Schematic diagram of the backward inchworm motion process of Mars rover

火星車通過向前或者向后的尺蠖運動就可實現(xiàn)脫離沉陷區(qū)，向前移動或向后移動主要根據(jù)火星車沉陷的情況和前、后方的地形特點確定。

2.3 爬坡設(shè)計和防托底設(shè)計

火星車針對爬坡的設(shè)計主要是降低車體高度，可以使前、中、后輪的載荷更加均衡，從而降低車輪的最大接地比壓值，提高了爬坡能力，火星車最大爬坡角度可達20°，如圖11(a)所示。

火星車針對托底的設(shè)計主要是提高車體高度，使車體的離地間隙增加，從而通過大型障礙物，火星車能越過的最大障礙物高度可達500 mm，如圖11(b)所示。相較于被動懸架式火星車，通過性能提升了66%。

圖11 火星車復(fù)雜地形工作狀態(tài)示意圖Fig.11 Schematic diagram of the working state of the Mars rover on the complex terrain

2.4 抬輪設(shè)計

仿尺蠖型火星車針對車輪無法轉(zhuǎn)動的設(shè)計是抬起無法轉(zhuǎn)動的車輪，不同車輪的抬輪策略不盡相同，首要的是進行質(zhì)心的調(diào)整，抬升前輪時，將車體抬起，將質(zhì)心后移；抬升中后輪時，將質(zhì)心前移。抬輪高度0.3 m時，火星車的狀態(tài)如圖12所示，移動系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)見表3。

圖12 不同抬輪狀態(tài)火星車姿態(tài)示意圖Fig.12 Attitude diagram of the Mars rover in different wheel lifting states

表3 不同抬輪姿態(tài)下移動系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)Table 3 Key parameters of the locomotion system in different wheel lifting states

3 火星車設(shè)計驗證

為了驗證仿尺蠖型火星車設(shè)計的正確性，開展了地面試驗驗證和飛行試驗驗證。

3.1 地面試驗驗證

在內(nèi)場開展了火星車地面試驗，狀態(tài)如圖13所示，試驗過程中火星車運動的位移曲線如圖14所示，車體下降和抬升的高度如圖15所示。兩次運動的結(jié)果見表4，試驗表明火星車具備尺蠖運動的能力，但移動速度較慢。

表4 地面試驗中火星車尺蠖運動結(jié)果對比Table 4 Comparison of results of the inchworm motion of Mars rover in ground tests

圖13 火星車地面試驗示意圖Fig.13 Mars rover in ground tests

圖14 火星車地面試驗中尺蠖運動位移曲線Fig.14 Displacement curve of the inchworm motion of the Mars rover in ground tests

圖15 火星車地面試驗中尺蠖運動車體高度曲線Fig.15 Height curve of the inchworm motion of the Mars rover in ground tests

仿尺蠖型火星車通過了尺蠖運動的試驗驗證，還通過了抬輪和爬坡等功能的測試，如圖16所示。地面試驗全面驗證了仿尺蠖型火星車主動懸架各項功能的合理性，表明火星車設(shè)計的正確性。

圖16 火星車地面試驗中抬輪和爬坡能力試驗驗證Fig.16 Verification of capability of wheel lifting and climbing of the Mars rover in ground tests

3.2 飛行試驗驗證

作為仿尺蠖型火星車應(yīng)用的實例，“祝融號”火星車成功經(jīng)歷了飛行試驗，已在火星表面順利工作一個火星年，移動系統(tǒng)工作正常，各項遙測參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，未發(fā)生異?，F(xiàn)象，通過機構(gòu)電流和角度等遙測信息可判斷機構(gòu)目前狀態(tài)良好，如圖17所示。

圖17 火星車在火星表面工作狀態(tài)圖Fig.17 Image of the rover working on the surface of the Mars

飛行試驗表明尺蠖型火星車設(shè)計措施有效。

4 結(jié) 論

1) 仿尺蠖型火星車可以有效地解決火星表面運動過程中遇到的車輪沉陷、爬坡、大型障礙物和車輪無法轉(zhuǎn)動的難題；

2) 仿尺蠖型火星車通過尺蠖運動可以提高整車牽引力，當(dāng)沉陷超過0.05 m時，牽引力提高超過80%；

3) 通過車體抬升，火星車可以通過大型障礙物，降低托底的發(fā)生概率，通過性能提高了66%。