新型月球車懸架的設(shè)計與仿真研究-

1、新型月球車懸架的設(shè)計與仿真研究CHEN Bai-chao, WANG Rong-ben, Y ANG Lu, JIN Li-sheng, GUO Lie摘要:這篇論文提出了一種新的月球車懸架形式。這種懸架主要由一個主動四邊形杠桿機構(gòu)和一個被動四邊形杠桿機構(gòu)組成。這種懸架是依照以下幾種因素來設(shè)計:爬上障礙物,適應(yīng)地形,行動順暢,以及駕駛室負荷平均分配到各個車輪上。在文章中,先是藐視了這種新型懸架的構(gòu)造,接著進行了杠桿運動學(xué)分析并建立了杠桿關(guān)系的方程,因此懸架的變形能力是已知的。為了測試懸架的性能,我們設(shè)計了一輛裝有這種新型懸架的原型車用以進行爬障礙的實驗,實驗的結(jié)果表示這種新型懸架的應(yīng)用使得月球

2、車在使駕駛室保持平穩(wěn)的前提下爬越障礙的能力非常出色。在試驗中發(fā)現(xiàn)的缺點的基礎(chǔ)上,我們優(yōu)化了杠桿機構(gòu),并建立了裝有這種新型懸架和基于ADAMS平臺的搖臂轉(zhuǎn)向懸架的月球車模型,隨后進行了仿真實驗以比較性能。對這種新型懸架的深入研究還在繼續(xù)進行中以便于提高其整體表現(xiàn)。中國已經(jīng)決定在不就得將來開展探月計劃。這種新型懸架將會提供非常有價值的技術(shù)支持。1.簡介中國期望在2012年將月球車送上月球進行探月計劃。所以,一些機構(gòu)和高校研究所都積極參與到與探月車相關(guān)領(lǐng)域的研究中。由于探月車的運動系統(tǒng)上要裝載探測儀器,運動的平順性就顯得十分重要。為了保證探測工作的安全性,中國吉林大學(xué)在2004年為探月車發(fā)明了一種新

3、型的懸架系統(tǒng)。這種懸架機構(gòu)主要由一個主動四邊形杠桿機構(gòu)和一個被動四邊形杠桿機構(gòu)組成。實驗的結(jié)果表示這種新型懸架的應(yīng)用使得月球車在使駕駛室保持平穩(wěn)的前提下爬越障礙的能力非常出色。這種新型懸架將在不久的探月計劃中提供有力的技術(shù)支持。2.障礙分析當(dāng)車輪遇到障礙物是懸架杠桿上的受力情況如圖1所示。Gw是該輪所受的重力。Fm是車輪作用在懸架杠桿上的合力。是Fm與水平方向的夾角。G是整車重量。是路面與車輪之間的附著系數(shù)。是路面阻力系數(shù)。定義系數(shù)f并取f=-。據(jù)推測,月球車是六輪驅(qū)動,兩邊各三個車輪,而且載荷平均分配在六個車輪上。所以,當(dāng)單個車輪遇到障礙物時,有:=arctan(G/6-Gw/(G*f/3-

4、(1 考慮到月球表面的土壤,取fmax=0.451。考慮月球車的結(jié)構(gòu)和重量,取Gw=G/602。于是,由(1式得=45。這表示車輪作用在懸架杠桿上的合力與水平面成45度夾角。 Figure.1 Force of suspension lever3.新型懸架的設(shè)計A.懸架設(shè)計原則懸架設(shè)計過程中需要考慮到以下因素:1良好的爬越障礙能力從上述的分析我們可以得知,當(dāng)車輪遇到障礙物時,懸架杠桿受到車輪作用的合力與水平面成45度夾角。在杠桿機構(gòu)設(shè)計時,與車輪連接的連接桿必須與該力垂直以增大扭矩,使杠桿轉(zhuǎn)動方向便于爬越障礙。所以我們應(yīng)該將這些連桿設(shè)計成與水平面反向傾斜45度。2良好的行駛平順性在穿越障礙時懸

5、架應(yīng)該有自動適應(yīng)地形的能力,這能消除不平整地面的影響并保持駕駛室的平穩(wěn)。3將負載平均分配到每個車輪上4良好的折疊和展開能力以便運輸B.主動和被動四邊形杠桿的結(jié)構(gòu)根據(jù)以上的懸架設(shè)計原則,我們設(shè)計了一種新型的懸架,它主要由一個主動四邊形杠桿機構(gòu)和一個被動四邊形杠桿機構(gòu)組成,如圖2所示。這種懸架由六個杠桿組成,杠桿1,3和杠桿6的末端分別與前輪15,中輪16和后輪17連接在一起。杠桿1和2在點8處鉸鏈,杠桿1和3在點7處鉸鏈,同理杠桿2和4在點10處,杠桿3和4在點9處,杠桿2和5在點12處,杠桿4和6在點14處,杠桿5和6在點13處鉸鏈。主動和被動四邊形杠桿機構(gòu)都通過杠桿4在點11處由差動軸與駕駛

6、室連接。所以駕駛室的偏航角就是杠桿4兩側(cè)的平均偏航角。 Figure 2 Positive and negative quadrilateral suspension4.適應(yīng)地形的能力A.懸架杠桿的運動學(xué)方程為了更簡便地分析杠桿之間的運動關(guān)系,我們在前輪中心和45度杠桿1之間作一條輔助線如圖3所示。在三條分支桿與杠桿4之間的夾角分別是135度,135度和90度。桿1平行于桿4的分支桿,桿2平行于桿3,輔助線平行于桿4的另一條支桿。每根桿的長度分別為L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9,L10和L11,如圖3所示。而a是前輪中心到中輪中心的水平距離,b是中輪中心到后輪中心的水平距

7、離,c是輔助線到后輪中心的距離,d 是前輪與后輪沿輔助線方向的距離,h是攀登輪中心與其他輪中心的高度差,是桿3與桿1的夾角,是輔助線與桿1的夾角,是桿5與輔助線垂線的夾角,是桿6與輔助線垂線的夾角,是輔助線與水平方向的夾角,是桿3與水平線夾角,是桿6與水平線夾角,是桿1與水平線夾角,是桿6的垂線與桿5的夾角,是桿2的垂線與桿5的夾角,是中間變量。角的單位都是度。 Figure 3 Geometric parameters of the suspension據(jù)推測,在爬越障礙物時每個輪子都不會離開地面。當(dāng)前輪爬越障礙物時各桿的運動學(xué)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 中輪和

9、后輪的方程同理可得。B.障礙攀登輪高度考慮到整個月球車的結(jié)構(gòu),對下面的參數(shù)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.越障輪能攀登的高度可以通過h的值得到。但是,上面的方程都是非線性的,而且只有15個方程對應(yīng)的卻有16個變量,因此無法得到h的值。要解決這個問題就必須要使用數(shù)值方法。由于能表示主動和被動四邊形的對應(yīng)關(guān)系,被選作為獨立變量。在-20度到100度之間取值并被帶入方程中,這樣對應(yīng)的h值即可得

10、出。圖4顯示了通過計算曲線得到的結(jié)果。X軸表示角,Y軸表示車輪抬升高度,曲線的右方,左方和中間表示了前輪,中輪和后輪。明顯地,車輪的最大爬升高度大約為220mm。 Figure 4 Corresponding relations between the heights ofclimbing up in the front, middle, rear wheels and angle 5.月球車模型的行駛實驗為了驗證這種懸架的特點,我們在月球車模型上安裝了該懸架。在實驗中,一個高約250mm,爬坡度為75度的障礙物被放在月球車模型前方。如圖5所示。實驗結(jié)果表明安裝有這種懸架的月球車在越過障礙并保

11、持平順方面的能力非常出眾。 Figure 5 Experiments of climbing block6.模擬分析實驗結(jié)果表明這個運動系統(tǒng)有以下優(yōu)點:向前爬越障礙能力出色而且保持平順的能力也很好。但它也有一些缺陷:各輪載荷分配不均勻和向后通過障礙的能力不足。因此,該懸架系統(tǒng)被優(yōu)化設(shè)計以去除以上缺點。為了驗證優(yōu)化結(jié)果隨后進行了仿真模擬,在月球空間站應(yīng)用搖臂轉(zhuǎn)向懸架進行仿真比較。A.仿真環(huán)境為了有對等的條件,我們在ADAMS平臺上制造了同樣大小的搖臂轉(zhuǎn)向懸架模型(以下簡稱:Rover和主被動四邊形杠桿懸架模型(以下簡稱:CJ-1。兩個模型唯一的不同就在于懸架的形式,其他零件的特性都是一樣的。相同

12、的是,兩臺模型的重量都是200,重心距離地面都是550mm,單個車輪重量都是4.5,車輪的直徑和寬度都是330mm和200mm,輪軌是一樣的,前后輪軸距也一樣。在仿真試驗中重力加速度是9.8m/s2,摩擦系數(shù)是0.5,驅(qū)動輪角速度是0.3rad/s。圖6(a所示是CJ-1的外觀,圖6(b所示是Rover的外觀。 Figure 6(a the outline sizes of CJ-1 Figure 6(b the outline sizes of RoverB.仿真與比較在以下的仿真中,CJ-1是藍色,Rover為綠色。1輪載平等性 結(jié)論:CJ-1與Rover相近。2向前越障能力障礙物垂直高度

13、約為135mm,137mm和280mm。 結(jié)論:CJ-1可以越過280mm障礙物,而Rover無法越過137mm障礙物。3向后越障能力障礙物的垂直高度為95mm,97mm。 結(jié)論:CJ-1與Rover都可以越過95mm障礙,但都不能越過97mm障礙。4前行穿越障礙時的偏航角障礙物垂直高度135mm 結(jié)論:穿越135mm垂直障礙物時,CJ-1偏航角為6.7,Rover的為8.7。5單側(cè)車輪前進穿越障礙時駕駛室的滾轉(zhuǎn)角障礙物垂直高度為135mm。結(jié)論：穿越障礙時 CJ-1 滾轉(zhuǎn)角為 2.4，Rover 的為 3.3。 結(jié)論 6）單側(cè)車輪向后穿越障礙時駕駛室滾轉(zhuǎn)角 障礙物垂直高度 95mm 結(jié)論：穿

14、越障礙時，CJ-1 的滾轉(zhuǎn)角為 5.8，Rover 的是 4.3。 結(jié)論 7）向上爬坡能力 斜坡的角度各自為 25, 26, 27, and 28。 結(jié)論：兩個模型都在 26 度到 27 度斜坡上打滑。 結(jié)論 8）向下爬坡能力 各個斜坡角度依次為 25, 27, 29, 31, 33, and 35。 結(jié)論：下坡時，CJ-1 可以下 31度地坡但會在 33 斜坡上翻滾， Rover 在 31斜坡上就會翻 結(jié)論 滾。 9）支點徑向力 當(dāng)CJ-1和Rover穿越135mm的障礙物時， 鉸接點徑向力曲線分別如圖7,8所示。 CJ-1上有7個鉸 接點，Rover上有2個，所以圖7有6條曲線。Rover

15、上有1個鉸接點，所以圖8中有1條曲線。 Figure 7 Radial forces of pivots of CJ-1 Figure 8 Radial force of pivot of Rover 結(jié)論：CJ-1 上最大徑向力為 1800N，而 Rover 的最大徑向力為 850N。 結(jié)論 10）桿扭矩 結(jié)論：當(dāng)在水平面上靜止或運動時，CJ-1 和 Rover 的最大扭矩十分接近。 結(jié)論 7.總結(jié) 總結(jié) 這種主被動四連桿懸架是一種新開發(fā)的懸架系統(tǒng)。 實驗和仿真結(jié)果表明使用新懸架的月球車 模型有著良好的越障能力， 對地形的適應(yīng)能力， 行駛平順性， 和保持駕駛室平穩(wěn)的能力等等。 中國已經(jīng)決定在

16、不久的將來展開登月探索計劃。 這種新型的懸架系統(tǒng)將會提供寶貴的技術(shù)支 持。 參考文獻 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