火星车复合式移动系统设计及运动性能模拟验证关键技术
火星车复合式移动系统设计及运动性能模拟验证关键技术
“火星探测”是国家科技重大专项,“首次火星探测任务”的探测器包括环绕器、进入舱和火星车。移动系统是火星车最为关键的组成部分,本项目团队负责移动系统的研制工作。中国火星车移动系统采用主被动复合式悬架,在移动性能和功能方面均超过美国被动悬架式火星移动系统。主要技术创新点为:
1、发明并研制了具有蠕动脱陷等功能的主被动复合式火星车移动系统。针对美国火星车在软沙中易打滑空转、牵引力不足的问题,采用主被动复合悬架实现蠕动行驶,突破了轮式滚动对牵引力的限制,大幅提高了火星车脱陷和爬坡性能。该移动系统具有蠕动脱陷/爬坡、车厢升降防托底、悬架主动折展、车轮抬起、全向移动等功能,解决了美国火星车移动系统存在的问题。我国复合式移动系统占火星车总重 17.4%,低于美国被动式移动系统的 20%。
2、提出了火星车蠕动模式的运动控制策略。蠕动模式用于脱陷和爬坡工况,此时车轮处于大沉陷、高打滑状态,受到滚动牵引力、推土阻力、轮轴推/拉力的复杂作用,基于现有理论无法解决问题。提出了火星车蠕动脱陷、蠕动爬坡的运动控制策略,使我国火星车可稳定、快速地脱离深达 2 倍车轮半径的沉陷,最大爬坡角达 25°;美国火星车脱离 1倍车轮半径的沉陷耗时冗长、策略复杂且效果不明显,最大爬坡角是 15°。
3、提出了星球车整车运动性能模拟验证方法。星球车的运动性能受重力场影响。由于无法长时间、大范围模拟星球低重力场,因此提出重力场-悬吊力等效转换理论模型,将模拟“场”等效转换为模拟“轮地接触力”,该方法对于多类星球车具有普遍适用性;发明了悬吊力等效施加机构、悬吊点六自由度位姿跟踪控制技术;研制出火星车整车运动性能模拟验证系统。在国际上首次实现了火星车整车的低重力运动性能模拟验证,具有运动范围大、实验时间长、模拟精度高的特点。
项目授权发明专利 40 项、软件著作权 8 项,发表论文 129 篇。相关成果通过了中国机械工业联合会和中国机械工程学会联合组织的科学技术成果鉴定,由雒建斌、黄庆学和单忠德等院士组成的鉴定委员会认为:火星车主被动复合移动系统设计和模拟验证技术处于国际领先水平。
主被动复合式火星车移动系统已完成正样产品交付,并进行了相应的功能和性能验证,所有指标均满足设计要求。本项目社会效益显著,为型号任务的成功实施提供了不可或缺的技术支撑。主被动复合式火星车移动系统是我国“首次火星探测任务 ”的技术亮点。