尤+波++時(shí)+洋
摘 要:未來(lái)的勘探任務(wù)要求星球車自主運(yùn)行于復(fù)雜的星球表面,車輪滑轉(zhuǎn)率的有效估計(jì)是星球車高性能移動(dòng)控制的關(guān)鍵,基于車輛地面力學(xué)理論,建立了基于滑轉(zhuǎn)率的車輪一土壤相互作用力學(xué)積分模型,推導(dǎo)了積分模型中集中力的解析表達(dá)式.針對(duì)模型方程組的高度耦合性和復(fù)雜非線性,分析了模型參數(shù)間的耦合關(guān)系;結(jié)合被動(dòng)滑轉(zhuǎn)原理和參數(shù)關(guān)系分析結(jié)果,系統(tǒng)研究了星球車車輪的滑轉(zhuǎn)率估計(jì)方法.通過(guò)開(kāi)展輪壤相互作用試驗(yàn),將車輪滑轉(zhuǎn)率的模型計(jì)算值與試驗(yàn)所得值進(jìn)行比較,驗(yàn)證了積分模型滑轉(zhuǎn)率估計(jì)方法的正確性,
關(guān)鍵詞:滑轉(zhuǎn)率;地面力學(xué);被動(dòng)滑轉(zhuǎn);耦合關(guān)系
DOI: 10.15938/j.jhust.2015.02.005
中圖分類號(hào):V476.4
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1007-2683(2015)02-0023-05
0 引 言
同探索海洋、陸地和近地空間一樣,人類對(duì)外部星球的探索本身就是對(duì)地球生命進(jìn)化研究的重要一步.星球表而環(huán)境的復(fù)雜性與不確定性,使星球車在運(yùn)行過(guò)程中極易發(fā)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象,對(duì)星球車移動(dòng)系統(tǒng)方面研究提出了許多挑戰(zhàn).滑轉(zhuǎn)率估計(jì)方法研究可以使人們更好了解車輪滑轉(zhuǎn)狀態(tài),對(duì)星球車控制策略設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃研究以及驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力學(xué)特性分析具有重要意義.
文提出利用根據(jù)星球車車轍痕跡檢測(cè)車輪滑轉(zhuǎn)率的方法,但該方法中車輪痕跡必須人工測(cè)量,無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè);文通過(guò)視覺(jué)方法檢測(cè)車轍的形狀,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)滑轉(zhuǎn)率的檢測(cè),但對(duì)于無(wú)輪刺的星球探測(cè)車車輪,該方法并不適用;應(yīng)用地面力學(xué)解決星球車運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題一直是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn),文在忽略離去角的基礎(chǔ)上,基于Wong-Reece的正應(yīng)力分布模型和Janosi的塑性剪切特性模型推導(dǎo)了車輪集中力的封閉解析表達(dá)式,但對(duì)于星球車車輪滑轉(zhuǎn)率的估計(jì)方法系統(tǒng)研究很少.
本文基于地面力學(xué)理論,建立車輪在被動(dòng)滑轉(zhuǎn)狀態(tài)下的車輪一土壤相互作用力學(xué)積分模型,推導(dǎo)車輪掛鉤牽引力和支持力的解析表達(dá)式,在分析模型參數(shù)耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上,提出星球車車輪滑轉(zhuǎn)率估計(jì)方法,最后結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該方法的正確性.
1 輪壤相互作用測(cè)控裝置
車輪與土壤相互作用測(cè)控裝置如圖1所示,該裝置包括前進(jìn)電機(jī)、拖拽電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)3個(gè)伺服電機(jī),具有離合器、配重、輪壓加載機(jī)構(gòu)、牽引阻力加載機(jī)構(gòu)以及導(dǎo)軌等機(jī)械裝置,安裝了六維力/力矩傳感器以及測(cè)速電機(jī)等感知器件.
在離合器斷開(kāi)的情況下,單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)移動(dòng)拖車在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng),可以開(kāi)展車輪被動(dòng)滑轉(zhuǎn)試驗(yàn).基于配重和輪壓加載機(jī)構(gòu),可以設(shè)定穩(wěn)定的車輪正壓力;通過(guò)牽引阻力加載,可以設(shè)定恒定的車輪掛鉤牽引阻力,車輪正壓力和掛鉤牽引阻力由六維力/力矩傳感器進(jìn)行測(cè)量,移動(dòng)拖車的速度由測(cè)速電機(jī)轉(zhuǎn)換獲得,車輪滑轉(zhuǎn)率通過(guò)拖車速度和車輪滾動(dòng)角速度轉(zhuǎn)換得到.圖2為測(cè)試車輪模型.
2 基于滑轉(zhuǎn)率的星球車輪壤相互作用建模
2.1滑轉(zhuǎn)率定義
滑轉(zhuǎn)率反映了車輪實(shí)際前進(jìn)線速度和滾動(dòng)速度之間的偏差程度,用式(1)進(jìn)行定義:式中:r為車輪半徑;ω為車輪滾動(dòng)角速度;v為車輪前進(jìn)線速度.
在該定義中,滑轉(zhuǎn)率s的范圍為[-1,l].當(dāng)車輪滾動(dòng)速度大于實(shí)際前進(jìn)速度,車輪處于滑轉(zhuǎn)狀態(tài),此時(shí)s>0;當(dāng)車輪滾動(dòng)速度等于實(shí)際前進(jìn)速度,車輪處于純滾動(dòng)狀態(tài),此時(shí)s=0;當(dāng)車輪滾動(dòng)速度小于實(shí)際前進(jìn)速度,車輪處于滑移狀態(tài),此時(shí)s<0;在普遍情況下,平地運(yùn)動(dòng)或爬坡時(shí),車輪滑轉(zhuǎn)率s≥0;車輪下坡時(shí),滑轉(zhuǎn)率s<0.
2.2輪壤相互作用力學(xué)模型
當(dāng)車輪處于被動(dòng)滑轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí),輪壤相互作用力學(xué)模型如圖3所示,星球車車輪在星球表面運(yùn)動(dòng)類似于車輪與松軟地面相互作用的情形.圖3中:ω為星球車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;T為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)力矩;?DP為掛鉤牽引阻力;形為車輪正壓力;υ為車輪實(shí)際前進(jìn)線速度;r為車輪半徑;從車輪豎直位置到接人土壤位置所對(duì)應(yīng)的輪心角為接近角角θ1;從車輪豎直位置到離開(kāi)土壤位置所對(duì)應(yīng)輪心角為離去角θ2∶σ(θ)為車輪徑向應(yīng)力分布函數(shù);τ(θ)為車輪剪切應(yīng)力分布函數(shù);θM為車輪最大徑向應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的輪心角,松軟土壤對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪的作用力可以表現(xiàn)為連續(xù)的應(yīng)力形式,即徑向應(yīng)力σ(θ)和剪切應(yīng)力τ(θ),應(yīng)力在車輪上的連續(xù)作用平衡于掛鉤牽引阻力和車輪壓力,
基于Wong-Reece的研究成果[16],可以得到車輪徑向應(yīng)力分布函數(shù):式中:κc為土壤粘聚模量,κ為土壤摩擦模量,n為變形指數(shù),6為車輪寬度,C1和c2為土壤最大應(yīng)力角系數(shù),c3為土壤離去角系數(shù),結(jié)合Janosi的塑性剪切特性模型[17]和式(l)可以得到車輪剪切應(yīng)力分布函數(shù):式中∶c為土壤內(nèi)聚力;γ為土壤內(nèi)摩擦角;j(θ)為驅(qū)動(dòng)車輪剪切位移;jo為剪切應(yīng)力一位移曲線模量.
當(dāng)車輪處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),掛鉤牽引力F〈sub〉DP〈/sub〉、法向支持力Fn與車輪受到的掛鉤牽引力阻力fDP、車輪正壓力W相互平衡,對(duì)車輪徑向應(yīng)力和剪切應(yīng)力進(jìn)行積分,可以得到式(7).
3 滑轉(zhuǎn)率估計(jì)方法研究
3.1 輪壤作用模型參數(shù)關(guān)系分析
基于以上對(duì)輪壤相互作用模型的分析,式(7)是非線性與高度耦合的積分方程組,掛鉤牽引力和法向支持力是關(guān)于滑轉(zhuǎn)率、輪壤作用接觸角、車輪參數(shù)及土壤參數(shù)的函數(shù),輪壤相互作用模型參數(shù)關(guān)系如圖4所示,徑向應(yīng)力分布函數(shù)σ(θ)描述了在輪壤接觸范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)輪受到沿半徑方向的應(yīng)力分布,體現(xiàn)了土壤的承壓特性[18],由土壤粘聚模量κ、摩擦模量k。、變形指數(shù)n、車輪半徑r、車輪寬度6和接觸角θ1、θ2、θm所決定,θ2是關(guān)于最大離去角系數(shù)c3,與θ1的函數(shù),θM是關(guān)于最大應(yīng)力角系數(shù)c1、c2、θ1與滑轉(zhuǎn)率s的函數(shù).剪切應(yīng)力分布函數(shù)τ(θ)描述了土壤對(duì)驅(qū)動(dòng)輪沿切向的應(yīng)力分布,體現(xiàn)了土壤的剪切特性[19],由內(nèi)聚力c、土壤內(nèi)摩擦角γ、徑向應(yīng)力函數(shù)σ(θ)、車輪剪切位移j(θ)和剪切應(yīng)力一位移曲線模量j0決定,j(θ)是關(guān)于車輪半徑r、接觸角θ1,以及滑轉(zhuǎn)率s的函數(shù).
車輪的正壓力W決定了土壤對(duì)車輪的徑向應(yīng)力,同時(shí)剪切應(yīng)力的在垂直方向上的分量對(duì)車輪有一定支撐作用.掛鉤牽引力阻力fDP決定了車輪受到的剪切應(yīng)力,并且徑向應(yīng)力的水平分量對(duì)車輪也有一定牽引作用.
3.2估計(jì)方法研究
通過(guò)輪壤相互作用模型參數(shù)關(guān)系解析,在車輪參數(shù)、土壤參數(shù)已知以及車輪正壓力、掛鉤牽引力阻力恒定的情況下,車輪被動(dòng)滑轉(zhuǎn)時(shí)基于式(7)”r以求解滑轉(zhuǎn)率s和接觸角θ1、θ2,具體求解流程如圖5所示.當(dāng)不考慮土壤回彈部分對(duì)車輪的影響時(shí),離去角θ2,忽略為0,即離去角系數(shù)c3為0;當(dāng)考慮土壤回彈部分對(duì)車輪的影響時(shí),通常采用經(jīng)驗(yàn)公式θ2=-0.125θ1,,離去角系數(shù)c3為-0.125,本文中對(duì)滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行估計(jì)采用后者.因此,在車輪穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下,利用式(7)可以求解滑轉(zhuǎn)率s和接近角θ1.由于該方程組無(wú)解析解,需要經(jīng)過(guò)多次迭代來(lái)求得方程組解,因此利用Matlab編寫程序,采用fsolve函數(shù)進(jìn)行求解.
針對(duì)驅(qū)動(dòng)輪性能參數(shù)進(jìn)行求解方式,基于被動(dòng)滑轉(zhuǎn)原理和基于主動(dòng)滑轉(zhuǎn)原理在已知參數(shù)和求解參數(shù)上有較大不同,基于被動(dòng)滑轉(zhuǎn)原理求解是將掛鉤牽引力阻力fDP和車輪正壓力W作為已知參數(shù),利用方程組求解滑轉(zhuǎn)率s和接近角θ1;基于主動(dòng)滑轉(zhuǎn)原理求解是將滑轉(zhuǎn)率s和車輪正壓力W作為已知條件,結(jié)合方程對(duì)車輪發(fā)生沉陷時(shí)的接近角θ1進(jìn)行求解.相較于基于主動(dòng)滑轉(zhuǎn)原理對(duì)車輪性能參數(shù)進(jìn)行求解的方式,基于被動(dòng)滑轉(zhuǎn)原理的求解更加復(fù)雜,但星球車在運(yùn)行過(guò)程中滑轉(zhuǎn)率往往處于未知狀態(tài),因此該方法更加貼近實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),求解出的滑轉(zhuǎn)率在星球車控制應(yīng)用中具有重要意義.
4 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析
試驗(yàn)采用松軟干沙模擬星球土壤,通過(guò)設(shè)置穩(wěn)定的掛鉤牽引力和車輪輪壓進(jìn)行車輪被動(dòng)滑轉(zhuǎn)試驗(yàn).干沙力學(xué)參數(shù)如表l所示.
通過(guò)車輪一土壤相互作用試驗(yàn),測(cè)得車輪穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)結(jié)果,針對(duì)同樣的掛鉤牽引力和車輪輪壓的試驗(yàn)重復(fù)3次,并求取平均值作為最終試驗(yàn)數(shù)據(jù),以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,
被測(cè)輪半徑400mm,寬度125mm,通過(guò)對(duì)車輪一土壤相互作用試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),可以得到在掛鉤牽引阻力分別為40N、60N和80N下滑轉(zhuǎn)率隨車輪壓力變化的曲線,如圖6所示.
從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,當(dāng)掛鉤牽引阻力一定時(shí),無(wú)論是通過(guò)模型計(jì)算的滑轉(zhuǎn)率還是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到的滑轉(zhuǎn)率都隨著車輪壓力增大而減小,并且減小的速度逐漸變緩;在一定車輪壓力下,車輪掛鉤牽引阻力越小,引起的滑轉(zhuǎn)率越小,
圖6(a)中試驗(yàn)滑轉(zhuǎn)率與理論滑轉(zhuǎn)率兩者之間卡H對(duì)誤差為0.6%-8%;圖6(b)中兩者之間相對(duì)誤差為1%-9.2%;圖6(c)中兩者之間相對(duì)誤差為1.3%-9.6%.以上結(jié)果表明滑轉(zhuǎn)率的相對(duì)誤差能夠維持在10%以下,驗(yàn)證了積分模型和滑轉(zhuǎn)率估計(jì)方法的合理性與正確性.
4 結(jié) 論
在地面力學(xué)和被動(dòng)滑轉(zhuǎn)原理研究的基礎(chǔ)上,建立了星球車車輪一土壤相互作用力學(xué)積分模型,推導(dǎo)了基于滑轉(zhuǎn)率的車輪掛鉤牽引力和支持力的解析表達(dá)式.基于對(duì)模型參數(shù)之間耦合關(guān)系的分析,系統(tǒng)研究了車輪滑轉(zhuǎn)率的估計(jì)方法.結(jié)合輪壤相互作用試驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)比較模型計(jì)算的滑轉(zhuǎn)率和車輪實(shí)際的滑轉(zhuǎn)率,驗(yàn)證了積分模型和滑轉(zhuǎn)率估計(jì)方法的合理性與正確性.