新型月球车悬架的设计与仿真研究-

1、新型月球车悬架的设计与仿真研究CHEN Bai-chao, WANG Rong-ben, Y ANG Lu, JIN Li-sheng, GUO Lie摘要:这篇论文提出了一种新的月球车悬架形式。这种悬架主要由一个主动四边形杠杆机构和一个被动四边形杠杆机构组成。这种悬架是依照以下几种因素来设计:爬上障碍物,适应地形,行动顺畅,以及驾驶室负荷平均分配到各个车轮上。在文章中,先是藐视了这种新型悬架的构造,接着进行了杠杆运动学分析并建立了杠杆关系的方程,因此悬架的变形能力是已知的。为了测试悬架的性能,我们设计了一辆装有这种新型悬架的原型车用以进行爬障碍的实验,实验的结果表示这种新型悬架的应用使得月球

2、车在使驾驶室保持平稳的前提下爬越障碍的能力非常出色。在试验中发现的缺点的基础上,我们优化了杠杆机构,并建立了装有这种新型悬架和基于ADAMS平台的摇臂转向悬架的月球车模型,随后进行了仿真实验以比较性能。对这种新型悬架的深入研究还在继续进行中以便于提高其整体表现。中国已经决定在不就得将来开展探月计划。这种新型悬架将会提供非常有价值的技术支持。1.简介中国期望在2012年将月球车送上月球进行探月计划。所以,一些机构和高校研究所都积极参与到与探月车相关领域的研究中。由于探月车的运动系统上要装载探测仪器,运动的平顺性就显得十分重要。为了保证探测工作的安全性,中国吉林大学在2004年为探月车发明了一种新

3、型的悬架系统。这种悬架机构主要由一个主动四边形杠杆机构和一个被动四边形杠杆机构组成。实验的结果表示这种新型悬架的应用使得月球车在使驾驶室保持平稳的前提下爬越障碍的能力非常出色。这种新型悬架将在不久的探月计划中提供有力的技术支持。2.障碍分析当车轮遇到障碍物是悬架杠杆上的受力情况如图1所示。Gw是该轮所受的重力。Fm是车轮作用在悬架杠杆上的合力。是Fm与水平方向的夹角。G是整车重量。是路面与车轮之间的附着系数。是路面阻力系数。定义系数f并取f=-。据推测,月球车是六轮驱动,两边各三个车轮,而且载荷平均分配在六个车轮上。所以,当单个车轮遇到障碍物时,有:=arctan(G/6-Gw/(G*f/3-

4、(1 考虑到月球表面的土壤,取fmax=0.451。考虑月球车的结构和重量,取Gw=G/602。于是,由(1式得=45。这表示车轮作用在悬架杠杆上的合力与水平面成45度夹角。 Figure.1 Force of suspension lever3.新型悬架的设计A.悬架设计原则悬架设计过程中需要考虑到以下因素:1良好的爬越障碍能力从上述的分析我们可以得知,当车轮遇到障碍物时,悬架杠杆受到车轮作用的合力与水平面成45度夹角。在杠杆机构设计时,与车轮连接的连接杆必须与该力垂直以增大扭矩,使杠杆转动方向便于爬越障碍。所以我们应该将这些连杆设计成与水平面反向倾斜45度。2良好的行驶平顺性在穿越障碍时悬

5、架应该有自动适应地形的能力,这能消除不平整地面的影响并保持驾驶室的平稳。3将负载平均分配到每个车轮上4良好的折叠和展开能力以便运输B.主动和被动四边形杠杆的结构根据以上的悬架设计原则,我们设计了一种新型的悬架,它主要由一个主动四边形杠杆机构和一个被动四边形杠杆机构组成,如图2所示。这种悬架由六个杠杆组成,杠杆1,3和杠杆6的末端分别与前轮15,中轮16和后轮17连接在一起。杠杆1和2在点8处铰链,杠杆1和3在点7处铰链,同理杠杆2和4在点10处,杠杆3和4在点9处,杠杆2和5在点12处,杠杆4和6在点14处,杠杆5和6在点13处铰链。主动和被动四边形杠杆机构都通过杠杆4在点11处由差动轴与驾驶

6、室连接。所以驾驶室的偏航角就是杠杆4两侧的平均偏航角。 Figure 2 Positive and negative quadrilateral suspension4.适应地形的能力A.悬架杠杆的运动学方程为了更简便地分析杠杆之间的运动关系,我们在前轮中心和45度杠杆1之间作一条辅助线如图3所示。在三条分支杆与杠杆4之间的夹角分别是135度,135度和90度。杆1平行于杆4的分支杆,杆2平行于杆3,辅助线平行于杆4的另一条支杆。每根杆的长度分别为L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9,L10和L11,如图3所示。而a是前轮中心到中轮中心的水平距离,b是中轮中心到后轮中心的水平距

7、离,c是辅助线到后轮中心的距离,d 是前轮与后轮沿辅助线方向的距离,h是攀登轮中心与其他轮中心的高度差,是杆3与杆1的夹角,是辅助线与杆1的夹角,是杆5与辅助线垂线的夹角,是杆6与辅助线垂线的夹角,是辅助线与水平方向的夹角,是杆3与水平线夹角,是杆6与水平线夹角,是杆1与水平线夹角,是杆6的垂线与杆5的夹角,是杆2的垂线与杆5的夹角,是中间变量。角的单位都是度。 Figure 3 Geometric parameters of the suspension据推测,在爬越障碍物时每个轮子都不会离开地面。当前轮爬越障碍物时各杆的运动学方程如下:L5cos(+ L6sin(+ L7sin( = L1

8、1- cos(135o (L9-L2L5sin(+ L6cos(L7cos( = sin(135o (L9 L2(L1+ L2sin(45 L3sin(+ (L9-L2sin(135 -L8cos( = c(L1+ L2cos(45 + L3cos(+ L11 cos(135 (L9 L2+ L8sin( = dh + sin(45o L1 = sin(+ (L3 + L4a = cos(45o L1 + cos(L3 + L4b = h +c cos(cot(ah + c cos(/d = sin(= + 90o= = + = 45o = cos(/ cos(= 90o +=135o 中轮和

9、后轮的方程同理可得。B.障碍攀登轮高度考虑到整个月球车的结构,对下面的参数初始化:L1=400mm, L2=50mm, L3=250mm, L4 =150mm, L5 =100mm, L6 =250mm, L7 =100mm, L8 =250mm, L9=100mm, L10 =50mm, L11=282.8mm.越障轮能攀登的高度可以通过h的值得到。但是,上面的方程都是非线性的,而且只有15个方程对应的却有16个变量,因此无法得到h的值。要解决这个问题就必须要使用数值方法。由于能表示主动和被动四边形的对应关系,被选作为独立变量。在-20度到100度之间取值并被带入方程中,这样对应的h值即可得

10、出。图4显示了通过计算曲线得到的结果。X轴表示角,Y轴表示车轮抬升高度,曲线的右方,左方和中间表示了前轮,中轮和后轮。明显地,车轮的最大爬升高度大约为220mm。 Figure 4 Corresponding relations between the heights ofclimbing up in the front, middle, rear wheels and angle 5.月球车模型的行驶实验为了验证这种悬架的特点,我们在月球车模型上安装了该悬架。在实验中,一个高约250mm,爬坡度为75度的障碍物被放在月球车模型前方。如图5所示。实验结果表明安装有这种悬架的月球车在越过障碍并保

11、持平顺方面的能力非常出众。 Figure 5 Experiments of climbing block6.模拟分析实验结果表明这个运动系统有以下优点:向前爬越障碍能力出色而且保持平顺的能力也很好。但它也有一些缺陷:各轮载荷分配不均匀和向后通过障碍的能力不足。因此,该悬架系统被优化设计以去除以上缺点。为了验证优化结果随后进行了仿真模拟,在月球空间站应用摇臂转向悬架进行仿真比较。A.仿真环境为了有对等的条件,我们在ADAMS平台上制造了同样大小的摇臂转向悬架模型(以下简称:Rover和主被动四边形杠杆悬架模型(以下简称:CJ-1。两个模型唯一的不同就在于悬架的形式,其他零件的特性都是一样的。相同

12、的是,两台模型的重量都是200,重心距离地面都是550mm,单个车轮重量都是4.5,车轮的直径和宽度都是330mm和200mm,轮轨是一样的,前后轮轴距也一样。在仿真试验中重力加速度是9.8m/s2,摩擦系数是0.5,驱动轮角速度是0.3rad/s。图6(a所示是CJ-1的外观,图6(b所示是Rover的外观。 Figure 6(a the outline sizes of CJ-1 Figure 6(b the outline sizes of RoverB.仿真与比较在以下的仿真中,CJ-1是蓝色,Rover为绿色。1轮载平等性 结论:CJ-1与Rover相近。2向前越障能力障碍物垂直高度

13、约为135mm,137mm和280mm。 结论:CJ-1可以越过280mm障碍物,而Rover无法越过137mm障碍物。3向后越障能力障碍物的垂直高度为95mm,97mm。 结论:CJ-1与Rover都可以越过95mm障碍,但都不能越过97mm障碍。4前行穿越障碍时的偏航角障碍物垂直高度135mm 结论:穿越135mm垂直障碍物时,CJ-1偏航角为6.7,Rover的为8.7。5单侧车轮前进穿越障碍时驾驶室的滚转角障碍物垂直高度为135mm。结论：穿越障碍时 CJ-1 滚转角为 2.4，Rover 的为 3.3。 结论 6）单侧车轮向后穿越障碍时驾驶室滚转角 障碍物垂直高度 95mm 结论：穿

14、越障碍时，CJ-1 的滚转角为 5.8，Rover 的是 4.3。 结论 7）向上爬坡能力 斜坡的角度各自为 25, 26, 27, and 28。 结论：两个模型都在 26 度到 27 度斜坡上打滑。 结论 8）向下爬坡能力 各个斜坡角度依次为 25, 27, 29, 31, 33, and 35。 结论：下坡时，CJ-1 可以下 31度地坡但会在 33 斜坡上翻滚， Rover 在 31斜坡上就会翻 结论 滚。 9）支点径向力 当CJ-1和Rover穿越135mm的障碍物时， 铰接点径向力曲线分别如图7,8所示。 CJ-1上有7个铰 接点，Rover上有2个，所以图7有6条曲线。Rover

15、上有1个铰接点，所以图8中有1条曲线。 Figure 7 Radial forces of pivots of CJ-1 Figure 8 Radial force of pivot of Rover 结论：CJ-1 上最大径向力为 1800N，而 Rover 的最大径向力为 850N。 结论 10）杆扭矩 结论：当在水平面上静止或运动时，CJ-1 和 Rover 的最大扭矩十分接近。 结论 7.总结 总结 这种主被动四连杆悬架是一种新开发的悬架系统。 实验和仿真结果表明使用新悬架的月球车 模型有着良好的越障能力， 对地形的适应能力， 行驶平顺性， 和保持驾驶室平稳的能力等等。 中国已经决定在

16、不久的将来展开登月探索计划。 这种新型的悬架系统将会提供宝贵的技术支 持。 参考文献 1 M.G. Bekker. Introduction to Terrain-Vehicle SystemsM. Michigan, USA.The University of Michigan,1969. 2 Alex Ellery. Environmentrobot interactionthe basis for Mobility in planetary micro-roversJ. Robotics and Autonomous Systems,2004,51:2939. 3 Schenker, Baumgartner, Lindemann, Aghazarian, Ganino, Hickey.New