基于ADAMS的六輪月球車動力學建模與仿真

1、第39卷第1期2O O7年1月哈爾濱工業(yè)大學學報JOURNAL0F HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYV01.39No.1Jan.2007基于ADAMS的六輪月球車動力學建模與仿真胡明,鄧宗全,高海波,陶建國(哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院,哈爾濱150001,Email:huming摘要:針對月球的復雜地形環(huán)境,利用ADAMS軟件建立六輪搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球車的三維仿真模型,對其進行動力學仿真分析,獲得了月球車各部件和整車的動力學特性曲線,為月球車控制系統(tǒng)的設(shè)計與數(shù)值計算提供了理論依據(jù).關(guān)鍵詞:月球車;動力學分析;ADAMS中圖分類號:TP242.3文獻標識碼:A文章編號

2、:03676234(2007Ol一002804Dynamic modeling and simulation analysis based ADMASof the six.wheeled lunar roverHU Ming,DENG Zongquan,GA0Hai_bo,TAO Jianguo(School of Mechatmnic Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin150001,China,Email:humingAbstract:According to extreme lunaLr teHain environment,

3、the3一dimensional simulation model of the sixwheeled rockerbogie lunar rover is made by software ADAMS,and then the dynamic simulation analysis is ca耐ed out.The dynamic characteristic curves of each body and whole body of the lunar rover are eventually acquired,which providestheoretical foundation fo

4、r des培n and numerical computation of control system on the lunar IDver.Key words:iunar roVer;dynamic analysis;ADAMS月球車的動力學研究是實現(xiàn)其運動控制的基礎(chǔ).由于月球車的工作環(huán)境惡劣,且其控制方式除地面遙操作外,主要依靠自主控制,故要求其必須具備良好的操縱平順性、穩(wěn)定性和安全性.月球地形是未知且非結(jié)構(gòu)化的,目前模擬月面環(huán)境的試驗大多無法進行,本文借助ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical system軟件將六輪搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球

5、車視為一個復雜的多體系統(tǒng),完成其在崎嶇月面的動力學建模與仿真分析,為其運動控制奠定理論基礎(chǔ)¨J.1六輪搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球車基本結(jié)構(gòu)六輪搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球車的機械本體由兩部分組成:主車體和搖臂一轉(zhuǎn)向架式移動系統(tǒng),其收稿日期:20041l一17.基金項目:國家自然科學基金資助項目(50375032作者簡介:胡明(1976一,女,博士,講師;鄧宗全(1956一,男,教授,博士生導師.結(jié)構(gòu)見圖1.其中的搖臂一轉(zhuǎn)向架式移動系統(tǒng)是一個被動的無彈簧懸掛系統(tǒng),為左右對稱式結(jié)構(gòu).該移動系統(tǒng)由左右2個單側(cè)搖臂一轉(zhuǎn)向架機構(gòu)組成,單側(cè)搖臂一轉(zhuǎn)向架機構(gòu)由一個搖臂和一個轉(zhuǎn)向架組成,搖臂兩端連接后輪和轉(zhuǎn)向架,轉(zhuǎn)向

6、架兩端裝有前輪和中問輪,這樣每側(cè)的搖臂一轉(zhuǎn)向架機構(gòu)各裝有3個車輪,整個移動系統(tǒng)共有6個車輪.而兩側(cè)的搖臂則通過橫軸附著到主車體上,主車體的前后俯仰為兩側(cè)搖臂的平均俯仰,這為科學儀器和傳感器等提供了平穩(wěn)的工作平臺.六輪搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球車采用六輪獨立驅(qū)動,前后四輪獨立轉(zhuǎn)向的工作方式.與四輪移動系統(tǒng)相比,由于引入了轉(zhuǎn)向架和中間驅(qū)動輪,當遇到障礙時,通過轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)動,并借助中問驅(qū)動輪調(diào)整重力在各個車輪上的分配,以提高車體的平穩(wěn)性和越障性能.同時,因六輪搖臂一轉(zhuǎn)向架式移動系統(tǒng)兩側(cè)的車輪均采用各自獨立的伺服驅(qū)動方式,這使得被控部件具有更大的自由度、更強的適應(yīng)性與第1期胡明,等:基于ADAMs的六輪月球車

7、動力學建模與仿真機動性.1一右后輪;2_右中輪;3一右前輪;仁右轉(zhuǎn)向;卜右搖臂;卜左前輪;7一左轉(zhuǎn)向架;8左中輪;9一左搖臂;lO一橫軸;1l一左后輪圖1搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球車機構(gòu)原理圖2基于ADAMS的月球車三維建模利用ADAMS2003【21軟件建立六輪搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球車的三維仿真分析模型,參數(shù)如下:月球車原理樣車的質(zhì)量為50kg(空載;外形尺寸為860mm×600mm×450mm;車輪直徑為220mm;車輪寬度為150mm.搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球車的仿真分析模型如圖2所示.該模型的外形尺寸、各零部件的質(zhì)量、電機轉(zhuǎn)速和輸出扭矩等均按原理樣車的實際參數(shù)設(shè)定.同時,與車輪接觸的

8、月面荽g昌V蜊瑙口目圖2六輪搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球車仿真模型000000000000O(a8體位移、速度、加速度曲線為軟地面環(huán)境,即月球車在仿真月面運行過程中為剛性車輪與軟地面相互作用.3基于ADAMS的月球車動力學仿真3.1ADAMS動力學仿真算法ADAMs軟件將多體動力學與大位移、非線性分析求解功能相結(jié)合,可高效率、高精度的進行動力學分析.六輪搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球車系統(tǒng)仿真模型建立與分析的基本步驟:原始輸入?yún)?shù)的確定;動態(tài)分析模型的建立;仿真模型的分析與優(yōu)化3。4J.ADAMs軟件的具體數(shù)據(jù)流程如圖3所示.圖3ADAMs數(shù)據(jù)流程圖3.2ADAMS動力學仿真結(jié)果六輪搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球車的本體重50

9、kg,假定搭載20kg的有效載荷,在模擬月面環(huán)境中進行ADAMs仿真(仿真時間20s,如圖4所示.圖4六輪搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球車動力學仿真環(huán)境六輪搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球車在崎嶇月面的各部件動力學解曲線如圖5所示.,?！倍垡鬶o囊鎏.75.60.45.30.15(bB體速度、角加速度曲線f竽罨、/蜊捌曩 婭30一750016000o4500趙3000羹150020000715Ooo10000劃煅5000R150001000050(050004000O54500g3500蠢2500魁1500500哈爾濱工業(yè)大學學報(c左轉(zhuǎn)向架位移、速度、加速度曲線O55000g4000蠢3000犁200043l2登

10、,(e左搖臂位移、速度、加速度曲線O 5(g左前輪位移、速度、加速度曲線(i左中輪位移、速度、加速度曲線5(k左后輪位移、速度、加速度曲線20t,s(d左轉(zhuǎn)向架角速度、角加速度曲線/s(f左搖臂角速度、角加速度曲線眺(h左前輪角速度、角加速度曲線t,s(j左中輪角速度、角加速度曲線5(1左后輪角速度、角加速度曲線第39卷。.讎鍛嬡.越蝌纛蠹警O OO吣吣321羚犁m珧自毯捌m以O(shè)O 0O0咖咖咖咖咖oO 8642;越淵最.p 謎蜊曩姣=套囂纂震忿幫蔫:霪崖餐線n 。一ZK越_1讞采彬IX塒r。1Kf 1j l 。l t0玉.。曲.t、.強H。l“.。歧刪.,。蕊二魚矗刪、5O 5O 50033

11、221l.。越般三l|囂僦磊簍艨豢_j誓藩熹zm眺泠迥咖咖咖咖咖。筋加坫m ,.§u 瑙煅最一左后輪質(zhì)心加速度曲線一左后輪質(zhì)心角加速度曲線j |/。t ir7、一;U|.i.帆一Ln kJ、,-地。b。3。毒m珧如撕加¨,氣o 越鼎媛.m 越蝌三簇揪磊蓬墾莪?。;l氣?蔓f。j|禚爨巳自g 型捌曩m眺第1期胡明,等:基于ADAMs的六輪月球車動力學建模與仿真ggZ鎰需/s(m月球車主車體動能曲線76拿5弓4諭3需21/s(n主車體動量和相對質(zhì)心的動量矩圖5六輪搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球車動力學特性曲線圖5(a、圖5(b為主車體B的位移、速度、加速度曲線及其角速度、角加速度曲線,表示

12、在外載荷作用下,月球車行駛在三維崎嶇地形且不受任何控制時,主車體的位姿變化.因六輪搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球車在幾何結(jié)構(gòu)上左右對稱,運行過程中因適應(yīng)三維崎嶇地形而實時被動變形,故其移動系統(tǒng)各分離體的動力學特性曲線走勢有所不同.但選取單側(cè)搖臂一轉(zhuǎn)向架式移動機構(gòu)即可說明月球車移動系統(tǒng)的動力學性能,故這里給出左側(cè)搖臂一轉(zhuǎn)向架式移動機構(gòu)的動力學解曲線.圖5(c圖5(f為左側(cè)搖臂、轉(zhuǎn)向架各自質(zhì)心的位移、速度、加速度曲線及其角速度、角加速度隨線,表示在外載荷作用下,月球車行駛在三維崎嶇地形且不受任何控制時,搖臂一轉(zhuǎn)向架式移動系統(tǒng)被動適應(yīng)地形的特性.圖5(g圖5(1為左前輪、左中輪與左后輪各自質(zhì)心的位移、速度、加速

13、度曲線及其角速度、角加速度曲線,表示在外載荷作用下,月球車行駛在三維崎嶇地形且不受任何控制時,各獨立驅(qū)動車輪位姿變化情況.由各車輪速度變化曲線可以看出:為使電機驅(qū)動效率最高,必須對各獨立驅(qū)動車輪電機進行實時協(xié)調(diào)控制.圖5(m、圖5(n為月球車主車體動能、動量和相對質(zhì)心的動量矩曲線,表示在外載荷作用下,月球車主車體的運動狀態(tài)和特性.o g g Z 埭捌播4結(jié)論利用動力學仿真軟件ADAMS對六輪搖臂一轉(zhuǎn)向架式月球車進行動力學建模和仿真分析,得到了月球車各部件的動力學參數(shù)曲線,包括主車體、左側(cè)搖臂、轉(zhuǎn)向架質(zhì)心的位移、速度、加速度、角速度與角加速度曲線;左側(cè)各車輪在模擬月面環(huán)境下的位移、速度、加速度、

14、角速度與角加速度曲線;主車體的動能、動量與相對主車體質(zhì)心的動量矩曲線,為設(shè)計具有強魯棒性的月球車控制系統(tǒng)提供了理論依據(jù).參考文獻:1楊凱,黃亞樓,徐國華.帶拖車的輪式移動機器人系統(tǒng)的建模與仿真研究J.系統(tǒng)仿真學報,2000(1: 4346.2李軍,邢俊文,覃文潔,等.ADAMs實例教程M.北京:北京理工大學出版社,2002:l一2.3鄭建榮.ADAMs一虛擬樣機技術(shù)入門與提高M.北京:機械工業(yè)出版社,2002:13.4HuANG M H,DAVID E.Dynamic simulation of activelycoordinated wheeled vehicle system on une

15、venteminc/Proceedings of the1999IEEE Intemational conference on Robotics and Automation.Detroir:IEEE Ro.botics and Automation Society,1999:202211.(編輯趙麗瑩 基于ADAMS的六輪月球車動力學建模與仿真作者:胡明, 鄧宗全, 高海波, 陶建國, HU Ming, DENG Zong-quan, GAO Hai-bo, TAO Jian-guo作者單位:哈爾濱工業(yè)大學,機電工程學院,哈爾濱,150001刊名: 哈爾濱工業(yè)大學學報英文刊名:JOURNAL

16、 OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY年,卷(期:2007,39(1引用次數(shù):1次參考文獻(4條1.楊凱.黃亞樓.徐國華帶拖車的輪式移動機器人系統(tǒng)的建模與仿真期刊論文-系統(tǒng)仿真學報 2000(12.李軍.邢俊文.覃文潔ADAMS實例教程 20023.鄭建榮ADAMS-虛擬樣機技術(shù)入門與提高 20024.HUANG M H.DAVID E Dynamic simulation of actively-coordinated wheeled vehicle system on uneven terrain 1999相似文獻(10條1.期刊論文高海波.鄧宗全.王少純.胡

17、明行星輪式月球車動力學分析-哈爾濱工業(yè)大學學報2005,37(1為減小行星輪式月球車車身在垂直方向的振動加速度,需要確定月球車懸掛系統(tǒng)的扭桿彈簧剛度和減振器阻尼的合理數(shù)值范圍.因此建立了七自由度月球車的振動系統(tǒng)模型,并給出了月球車振動系統(tǒng)的振動微分方程和頻率響應(yīng)函數(shù)的計算方法,在確定月球車的路面輸入譜密度的基礎(chǔ)上推導了車身在垂直方向位移輸出的二階導數(shù)均方根值的計算公式,用Matlab軟件編寫的計算程序計算了車身在垂直方向位移輸出的二階導數(shù)的均方根值,從而確定了懸掛系統(tǒng)的扭桿彈簧剛度和減振器阻尼的合理數(shù)值范圍.2.期刊論文高海波.鄧宗全.胡明.王少純.Gao Haibo.Deng Zongqua

18、n.Hu Ming.Wang Shaochun行星輪式月球車移動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)-機械工程學報2005,41(12為提高月球車的越障能力,重點考慮提高車輪的越障能力,成功研制了一種采用扭桿彈簧和磁彈簧減振器并聯(lián)懸架,且每個行星車輪獨立驅(qū)動的月球車.在行星車輪不翻轉(zhuǎn)越障條件下,推導了月球車兩個前行星車輪同時越障時可以爬過的垂直障礙高度與車輛參數(shù)的關(guān)系,并進行了ADAMS仿真.對行星輪式月球車進行了動力學分析,確定了行星車輪的等效地面不平度函數(shù),并在此基礎(chǔ)上建立了7自由度月球車振動系統(tǒng)模型,根據(jù)模型的計算結(jié)果確定了扭桿彈簧剛度和減振器阻尼的最佳參數(shù)范圍.同時,進行了月球車爬坡試驗和垂直越障能力試驗研

19、究,還模擬月球的低重力環(huán)境進行了整車的低重力試驗.3.會議論文蔡則蘇.洪炳熔.魏振華月球車的運動學、動力學分析及其仿真研究2004首先推導出六輪月球車運動學方程;其次,給出了在崎嶇地形中運動的月球車的受力分析;最后,在考慮月球車多關(guān)節(jié)動力學問題條件下,建立了月球車的動力學模型;通過仿真實驗表明該動力學模型可以較好地解決月球車在崎嶇地形中的復雜運動問題.4.期刊論文丁振儉.高海波.鄧宗全.DING Zhen-quan.GAO Hai-bo.DENG Zong-quan側(cè)部搭載月球車的鎖定釋放機構(gòu)動力學研究-機械設(shè)計與制造2008(3為了高效合理的利用著陸器有限的內(nèi)部空間,提出了一種新的月球車搭載

20、方式-側(cè)部搭載,并詳細介紹了該方式下的一種鎖定釋放機構(gòu),對月球車釋放過程中著陸梯的展開進行了動力學建模,根據(jù)該模型在ADAMS中進行了動力學仿真,驗證了該機構(gòu)工作的可行性;分析了影響著陸梯展開釋放速度的因素,可對實際結(jié)構(gòu)參數(shù)進行合理化選擇提供了一定的理論依據(jù).5.學位論文王明卓月球車驅(qū)動控制技術(shù)的初步研究2005本文首先對月球車所采用的行走系統(tǒng)進行了運動學分析,推導了月球車正常行駛狀態(tài)下各車輪的縱向速度,并指出以轉(zhuǎn)向半徑為臨界值的差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的正、反向差速的轉(zhuǎn)換條件。然后對月球車驅(qū)動系統(tǒng)中的另一個重要部分驅(qū)動電機及其控制技術(shù)進行了闡述,對各輪采用的電機類型及控制方法進行了分析。 本文分析了路面

21、附著系數(shù)與滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系,參考了在車輛動力學分析中常用的幾種車輪力模型,以此為基礎(chǔ),選擇了帶有指數(shù)函數(shù)的多項式模型作為分析月球車車輪附著力的模型。 本文分析了月球車行駛中遇到的各種情況,將其歸為三類,由此提出了月球車的整體控制策略。6.期刊論文尚建忠.羅自榮.張新訪.Shang Jiangzhong.Luo Zirong.Zhang Xingfan兩種輪式月球車懸架方案及其虛擬樣機仿真-中國機械工程2006,17(1提出了三搖臂懸架和雙曲柄滑塊聯(lián)動扭桿懸架兩種新型月球車懸架系統(tǒng);建立了月球車移動性能評價的數(shù)學模型;采用虛擬樣機技術(shù),從地面自適應(yīng)、行駛平順性、越障性能三個方面對月球車的移動性能進行

22、動力學分析.仿真結(jié)果表明,雙曲柄聯(lián)動扭桿懸架月球車具有很好的移動性能.7.期刊論文高海波.鄧宗全.胡明.王少純月球車用行星車輪等效地面不平度函數(shù)的研究-哈爾濱工業(yè)大學學報2004,36(2針對所設(shè)計的行星輪式月球車的動力學分析問題中需要確定每個行星車輪的等效地面不平度函數(shù),對行星車輪的等效地面不平度函數(shù)進行了計算,提出一種等效地面不平度函數(shù)的修正方法,并給出了修正后的等效地面不平度函數(shù)的Fourier變換形式.同時運用虛擬樣機技術(shù)軟件ADAMS對該修正方法進行仿真分析,分析結(jié)果表明,該修正方法是合理的.8.學位論文趙志萍月球漫游車行走系統(tǒng)的動力學建模研究2002該文采用的建模方法為多體系統(tǒng)矢量

23、力學建模方法.考慮到月面的環(huán)境狀況,將月球車行駛的路況考慮為崎嶇不平的路面,并考慮月球車車輪在路面的下陷影響.將月球漫游車作為一個多剛體系統(tǒng),對其進行了靜力學和動力學分析.最終建立了月球漫游車在表面崎嶇的月球軟路面行駛的動力學模型,并推導出了矢量方程式的分量形式,為數(shù)值計算打下了基礎(chǔ).9.學位論文 李端玲 變胞機構(gòu)的機構(gòu)學分析及應(yīng)用 2003 該文對變胞機構(gòu)提出的意義及研究現(xiàn)狀作了介紹,提出了它的分類及與可展式機構(gòu)等其他機構(gòu)的關(guān)系,并給出了一些實例,指出了其今后的研究方向和 廣闊的應(yīng)用前景.變胞機構(gòu)往往具有一些復雜的幾何關(guān)系,使其自由度分析不同于一般機構(gòu).利用等效旋量系統(tǒng)對一些典型變胞機構(gòu)進行

24、自由度分析,有助 于得到變胞機構(gòu)自由度變化的規(guī)律,以及構(gòu)態(tài)變換和自由度變化之間的聯(lián)系.根據(jù)變胞機構(gòu)的構(gòu)態(tài)變換規(guī)律,在構(gòu)態(tài)變換的矩陣變換法基礎(chǔ)上,提出了一種 行之有效的變胞機構(gòu)構(gòu)態(tài)變換的矩陣消階法.該方法將變胞機構(gòu)的構(gòu)態(tài)變換轉(zhuǎn)化為一系列矩陣運算,普遍適用于各種變胞機構(gòu)的構(gòu)態(tài)變換分析.基于變胞機 構(gòu)的構(gòu)態(tài)變化,從變胞機構(gòu)的終態(tài)出發(fā),提出了一種變胞機構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合的新方法,得出了變胞機構(gòu)的一種終態(tài)構(gòu)型可以由不同的初始構(gòu)態(tài)來實現(xiàn)的結(jié)論.該 方法利用圖論和應(yīng)用終態(tài)的拓撲結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的鄰接矩陣,進行了桿件添加和相應(yīng)構(gòu)態(tài)變換的矩陣運算,研究了所有組合可能性,并應(yīng)用拓撲對稱性去除重 復情況,從而綜合出新的變胞機構(gòu).變胞機構(gòu)復雜的幾何關(guān)系使得某些特殊變胞機構(gòu)的分析方法與一般方法有所不同.該文針對魔球變胞機構(gòu)、魔方變胞機 構(gòu)和平行四邊形回路組合變胞機構(gòu),