基于差分相时延的月球车速率测定和动作分析
载人月球车馈能悬架技术及其AMESim仿真分析
载人月球车馈能悬架技术及其AMESim仿真分析张晓露;李舜酩【摘要】基于载人月球车对行驶速度、乘坐舒适性及能量储备的要求,提出一种滚珠丝杠式馈能悬架技术方案.分析了其结构、馈能原理及悬架输出力,利用AMESim 软件建立了传统悬架系统和馈能悬架系统模型,在阶跃激励和正弦激励下仿真了其车身加速度和车轮动载.结果表明,馈能悬架系统的两项评价指标较传统悬架小,其平顺性和稳定性更好,能够为可靠的月面运行提供保障.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)022【总页数】5页(P312-316)【关键词】月球车;馈能悬架;AMESim;仿真【作者】张晓露;李舜酩【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016;南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016【正文语种】中文【中图分类】V476.3悬架是月球车移动系统的重要部件，连接车轮与车体并对月球车的抗倾覆性、行驶平顺性、稳定性等移动性能有重要影响［1］。
目前，国内外所研究的无人月球车普遍采用整体协调式被动悬架［2，3］，如美国系列火星探测车和中国第一辆“玉兔号”月球车均采用摇臂悬架方案;日本宇航中心、梅基大学等联合研制了Micro5五轮五点接触悬吊式悬架机构;吉林大学设计了一种对称分布的正反四边形悬架。
无人月球车悬架随动性良好且机构简单、重量轻，但无法满足载人月球车对于行驶速度、乘坐舒适性等要求。
美国载人月球车 LRV采用带杠杆导向的独立悬挂装置，由于LRV是半主动悬架，对悬架进行控制时需要外部输入能量进行调节，这对月球车的能量储存也是一种考验。
可见，传统的悬架结构可能难以保证月球表面探测任务的顺利完成，研究设计一种新型载人月球车悬架具有重要的现实意义。
馈能悬架是一种将传统悬架减振器的耗散能量进行回收利用的新型悬架［4—6］。
它主要分为两大类:液力式馈能悬架和电磁式馈能悬架。
液力式馈能悬架机构庞大，附属结构多，响应速度慢且可靠性较低，出现故障不易维修，不适合月球环境。
一种基于UPF的月球车自主天文导航方法
月球 车通 常借 助地 面站 通过无 线 电测控 进行 导 航 控制 ， 由于地 球 和 月球 的 自转 和公 转 运 动 以及 但 由此所带 来 的地 面站 和月球 车相对 地 理位置 的变 化
１ １ 月球车 自主天文导 航 的基本 原 理 ．
由于 自然 天 体 总是 按其 固有 规 律运 动 的 ， 们 它 在某 个 时刻相 对 特定坐标 系的位置 矢量 是可 以精 确 得 到的 。对 于月球 车而 言 ， 个天 体 的高度 （ 一 星光 方
收 稿 日期 ： ０ —４２ ； 修 回 日期 ： ０ －１２ ２ ５０—９ ０ ２ ６０—４ ｏ 基 金项 目 ： 国家 自然 科 学 基 金 （０ ７０６ ６ ５４８ ）
方 向之 间 的 夹 角 ） 决 于 月 球 车 和 天 体 投 影 点 Ｇ 取 Ｐ
之 间 的距 离 。当 Ｇ Ｐ与 月球 车位 于相 同位 置 时 ， 该 天体 会 出现在 月球 车 的天顶 ； 当月 球 车逐 渐远 离 Ｇ Ｐ
短时间 精 度 高 的 优 点 ， 其 缺 点 是 误 差 随 时 间 积 但
方法 。还 通过计 算 机 仿 真 ， 该 方法 的有 效 性 和 可 对
具 体 方法是 利 用 星 敏感 器识 别 星光 ， 测 量 该 并
星光在 星敏感器 测 量 坐 标 系 的 方 向 ， 通过 星敏 感 器
行性进 行 了验证 ， 后 对 其 几 个关 键 的精 度 影 响 因 最 素 与传 统 方法进 行 了分析 、 比较 。
该 方 法 与 传 统 方 法 相 比 ， 位 精 度 有 了大 幅提 高 ， 时 对 几 个 关 键 的 精 度 影 响 因 素 的 仿 真 分 析 显 示 该 方 法 可 以有 定 同
基于模糊逻辑的月球车逆运动学求解方法
轮 直径 ２０ ｍ， ６ ｍ 车轮 宽 度 １０ ｍ。车体模 型 如 图 １ ８ｍ 。
１ ２ 逆 运 动 学 ．
逆 运 动学 问题 涉及 到 月 球 车 的位 置 、 态 和位 姿 形信 息 。摇臂 转 向架 式 月 球 车 的 位 置 、 姿态 和位 形
基 金 项 目 ： 家 自然科 学 基金 （０ ７０ ７ 和 北 京 市科 技 发 展 计 划 项 目（ ｒ ０ ５ ０ ０ ０ ８ 国 ６３４６ ） Ｋａ ０ １ ０ ５ １ ） ２
Ｎ Ｓ Ａ Ａ相继 发 射 了 两 个 火 星 探 测 车 ， 发 回 了 并 大量 的火星探 测 信息 。我 国的月 球 车也在 紧密地 研 制中 。随着 星球 探测 车受 到 越 来越 多 的关 注 ， 种 各 结 构 的星球探 测 车相 继 出 现 。其 中 ， 轮摇 臂 转 向 六 架式 月球 车的综 合性 能较好 。这 种探 测车是 一种 被 动适应 型轮式 移 动 机器 人 ， 有 良好 的地 形 适 应 能 具 力 ， 宜在月 球 表面这 种复 杂 的地形环 境 中应用 ， 适 但 其 运 动学建模 与 控制也 较 为复杂 …。 月球车 的姿 态和位 形存 在多 方面 的运用 。月球 车需要 通过 姿态 和位形 来计 算每 个车 轮的 载荷 和车
体 的稳 定性 。月球 车路径 规 划需要用 到月 球车 的 位 形信 息来判 断 备选路 径 的可通 行性 。月球 车动 力
学 分析 需要结 合 月球 车姿态 和位 形信 息来计 算 车轮 的牵 引力 。 月 球车 的姿态 和位 形估 计属 于月球 车 逆运动 学 问题 。Ｍ．Ｔ ｒ ｈ等 和王 佐 伟 等 对 六 轮 摇 臂 式 ａｏ ｋ 月 球 车进行 了运 动学建 模 。在粗糙 地形 下求 解月 球 车逆运 动学 问题是 目前 面 临 的一个 难 题 。Ｈ ｃｔ ａｏ Ｈ．
月球探测车转向系统动力学建模与分析
1 引言
无人驾驶的探测车( 漫游机器人) 是月球及行星表面探测的重要工具。月球探测车在月球表面自 主行驶时所面临的环境十分复杂。为提高探测车的自主性与安全性, 需要研究其在松软土壤上的动 力学特性。转向系统是探测车运动系统的重要组成部分, 其性能直接影响探测车的平稳性和机动能 力。
( 21)
转向系统的性能主要体现在平稳性和机动能力两方面。决定转向系统性能的 3 个主要变量是探
18
中国空间科学技术
2004 年 6 月
测车车速 v R、车体质心侧滑角 ∀ 和转向角速率( 航向角速率) #Z。探测车在转向时其纵向速度的变
化一般较小, 因此在转向动力学研究中, 着重考虑沿 YR 轴方向的侧滑运动及绕 ZR 轴的横摆运动,
( 16)
vWm = ( vRcos∀) 2 + ( vRsin∀+ #Zl m ) 2
( 17)
vWr = ( vRcos∀) 2 + ( vRsin∀- #Zl r) 2
( 18)
对于前轮, 由速度投影关系可知
vWfsin( f - f ) = vRsin∀+ #Zl f
vWf cos( f - f ) = vRcos∀
在汽车动力学领域, 已对车辆前轮、后轮及多轮转向问题进行了较为深入的研究[ 13 \ , 但汽车 动力学主要研究的是充气轮胎在结构化刚性路面上的操纵稳定性问题, 而月球表面大多数地方都覆 盖着由细尘和碎岩组成的月壤层。月壤层的土壤多数比较松软, 密度比地球上的沙质土壤小[ 4] 。因 此对月球探测车来说, 车轮的接触环境主要是松软土壤, 车轮存在下陷和滑移, 这给转向系统的分 析与设计带来了较大困难。本文针对松软路面的特性, 深入研究了探测车四轮转向系统的动力学问 题。论文给出了六轮月球探测车的四轮转向运动学计算公式, 推导了探测车在松软土壤上的四轮转 向动力学模型, 提出了合理的简化方法, 并对稳态特性进行了相应的分析。
联合时空信息的夜间运动车辆提取算法
扰 ； 间场景下 ， 夜 视频 图像的整体亮度非 常低 ， 摄像机 的成像 使
质量下降 ， 噪声 增多 ； 车辆灯光时强 时弱 、 时有时无造成 了光强
０ 前
言
灯 的颜色特性与运 动信息 来提 取车尾 灯区域 ， 文献 ［ ］ ７ 则通 过 车头灯高亮度特征 ， 采用 区域特 征分析 的方法提取 车头灯 。特
车辆检测是智能运输系统 （Ｔ ） ＩＳ 的重要组成 部分。随着视
频相关设备 和高性能计算机硬件 的发展以及视频处 理技术 的成 熟， 目前基于视频 的车辆检测器 已成为交通 运输领域 的研究热 点。视频 车辆检测器具有安装维护简便 、 提供视频监视 、 同时提 供多种交通参数等优点 。运动车辆信息的提取是交通 流检测 以 及交 通状况分 析 的基础 。实 际应 用 中， 得的视 频在 形成 、 获 传 输、 接受和处理过程 中， 不可 避免 的存在 着外 部干 扰和 内部干
间 的转 换 ， 以 在 实 时 性 要 求 较 高 的 视 频 检 测 领 域 应 用 不 多 。 所 在 空域 滤 波 方 法 中 ， 用 最 广泛 的是 中值 滤 波 和 均 值 滤 波 ， 者 应 前
提 出一 种快 速有效 的计 算 图像 欧 氏距 离 的方法 ， 用于计算
任 何 点 距 离 图像 前 景 点 或 者 边 缘 点 的最 小 距 离 。算 法 原 理 描 述 如 下 ， 。 原 点 ， Ｐ ， Ｐ 是 其 ８ 域 内 点 ， 。ｋ 、， ｋ Ｐ为 Ｐ 、 和 领 ｋ 、２ｋ 和
一种基于像差分析的非接触速度、长度检测方法
用像差分析 的方法设计了一个 实际卷布机生产线布料卷绕速度及卷绕长度 的非接触检测系统 。
二、系统 的基本原理 当～个物体运动 时，用一 台摄像机对其连续摄像 ，前后两帧 画面的变化 可表现运动物体移动 的特征 ，这就是利用像差分析测 量速度 、长度 的基本 原理 。本系统 由检测像差 的光学传感器部分 和系统控制部分组成 。前者利用光学传感器、ＤＳ Ｐ完成像差分析，
集 ’ 把 子集 在 上 从左 到右 、从 上 到 下 的逐 元 平 移 ； ， （ ）在每 一个 平 移 后 的新 位 置 上 比较 和 上对 应 的 ２ 子集 ， 素 差 ，得 到 它 们 在 不 同位 置 的相 似 度 量 ； 的像 （ ） 索 出相 似 程 度 最 高 的 点 ， 就 是 像 素 差 为 零 的 点 ， ３搜 也 即 为最 佳 匹 配 点 。该 最 佳 匹 配 点被 认 为是 第 二 帧 图象 的子 集 在 第 一 帧 图像 Ｓ 中对 应 的 原 始 点 ， 该 点 （ 佳 匹 配 点 ） 以 最
关键词 ：像差 ； 非接触 ；速度 ；长度
中图分类号 ：Ｔ ２２ １ Ｐ １．
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１０ — ８Ｘ２ １）７ ０１— ４ ６ ８３ （ ０ — ０Ｏ Ｏ ０ ００
马 智 杰 李 艳 芳 钟 龙 平 陈 文芗
一
、
前 言
在工业应用过程 中，有时需要检测物体 间的相对运动状态 ， 包括运动方 向和运动速度等。另外 ，在某些 行业的工业生产中，流水线上产品长度的实时检测也可归结为运动物体的移动长度检测 问题 ，如纺织行业里 对卷布机卷绕布 匹长度的实时测量等 。若采用传统机械 方法进行速度 、移动长度检测 ， 需要靠轮与被检测物 表面直接接触。如果被测物表面较光滑 ，则易打滑并产生滑动误差 ，造成测量不准； 同时 由于直接接触 ，物 体磨损 无法避免 ，许多工业场合无法应用该种测量方法【。 ” 为了解 决上述 问题 ，满足 不同场合 、不 同材质产 品的移动速度 、长度检测 需求，减小测量 误差，本 文利
松软月壤上月球车驱动能力的仿真研究
力, 车轮每一单位载荷, 滚过每 一单位距离所 需提供的 能量。
PN = f Fdp 曲线的斜率, 即为公式 ( 13)所表示的驱动车轮效 W
率。该曲线的尖端所对应的牵引 力系数 表示为一 极限工 况, 超过此点, 功率损失将太大。
由图 3可以看出在一定的牵引 力系数下, 驱动 效率达到 最大, 超过此牵引 力系 数下, 驱动 效率急 剧下 降。因此 有必 要将月球车的滑移率稳定在 0. 3附 近, 以 获得较高 的驱动效 率, 从而达到提高月球车的驱动能力和降低功耗的目的。
w图 4 仿真体系结构图
第 2期
刘 淑军等: 松软月壤上月球车驱动能力的仿真研究
45
2 影响月球车的驱动效率的因素分析
由于月球车的车 载能源有限, 电池 的容量小, 比能 量低, 所以月球车在续驶 里程和 动力 性能等 方面 受到 了明显 的限
制。必须考虑月球 车车轮 驱动 效率即 月球 车车 轮驱动 时的
( TE ) :
TE =
F dp va TX
=
F dp va T vt
ra
以上公式的分子分母 各除以车轮载荷 W, 且由 于
( 12)
于是:
va vt
=
1-
ia
( 13)
TE
=
Fdp /W ( 1 T / (W ra )
ia )
=
Fdp /W
T W ra
/ ( 1 - ia )
( 14)
由图可知, 驱动效率在 某一 滑移 率处存 在最 大值, 在滑 移率
1 松软土壤下月球车行驶动力学模型
1. 1 单 轮模型
以下为比较经典的 单轮模型建模过程, 其中主要 输入为 车轮载荷, 和电机 的转速 。电机的 转速 状况 由电机 来决 定, 这里建立了一个电 机模型 来模 拟转速 随负 载的 性能变 化情
月球探测器着陆动响应区间不确定性分析
1摇 基于 Chebyshev 多项式展开的探测器着 陆动响应区间分析方法
1郾 1摇 Chebyshev 多项式方法
根据 Weierstrass 逼近理论,任何在闭区间内连
续的函数都可均匀地近似为多项式,并且达到所期
望精度要求。
对于变量 x 的函数 f( x),其输入参数含有 n 个
不确定性区间变量,且不确定区间范围分别为 xi 沂 [ ai,bi ] ,i = 1,2,…,n,利用 k 阶 Chebyshev 多项式 用于近似原始函数 f(x),以提高其近似精度。
<
(
2 -k k + 1)
!椰f(k
+
1)
椰肄
.
(6)
将(1)式中的变量 x 替换为区间变量[ x],就得
到了 f( x) 的 Chebyshev 多项式区间表示:
f([x]) =
移 移 ( ) k
k
…
i1 = 0
in = 0
1 2
l
fi1,i2,…,in Ci1,i2,…,in ( [ x] ) =
本文在 Abaqus 计算机辅助工程( CAE) 软件平
台上建立了一个全柔性探测器软着陆非线性有限元 模型,并计算探测器倾斜着陆工况下关键点的动力 学响应。 之后基于 Chebyshev 多项式方法,提出了 不确定条件下探测器着陆动响应区间分析流程,对 比分析了 Chebyshev 多项式方法与蒙特卡洛仿真分 析方法分析结果。
摇 摇 收稿日期: 2018鄄10鄄13 作者简介: 陈昭岳(1992—) , 男, 博士研究生。 E鄄mail: chenzhaoyue2909@ sina. com 通信作者: 刘莉(1964—) , 女, 教授, 博士生导师。 E鄄mail: liuli@ bit. edu. cn
_嫦娥三号_月球探测器的轨道确定和月面定位_黄勇_昌胜骐_李培佳_胡小工_王广利
信号并进行差分处理 , 去掉电离层、大气及观测装置 的绝大部分的影响 , 从而得到差分时延 , 最高精度可 达皮秒量级 . 同波束差分 VLBI 测量是 CE-3 任务中 巡视器相对定位的唯一地面测量手段 . 为了实现 CE-3 的软着陆 , CE-3 工程中首次使用 了大推力 7500 N 发动机 , 第二次中途修正 , 月球捕 获控制 , 动力落月段均应用了 7500 N 发动机 , 发动 机工作状态标定是一项重要工作 , 本文利用第二次 中途修正前后的测轨数据 , 在定轨时同时解算探测 器的速度增量 , 并和轨控计划结果进行了比较 , 验证 了通过定轨方式标定发动机工作状态的可行性 .
[11]
号、 设备和处理方法上都有很大提升 , 包括 : (1) 采用 X 波段实时 ∆DOR 技术 , 扩大了信号等效带宽至 40 MHz, 相对于 CE-1, CE-2 号 S 波段增加几十倍 ; (2) 采用多信号综合技术充分发挥多信号带宽优势 提升时延测量精度 ; (3) 采用临近射电源修正消除了 传播介质误差和设备系统误差的一阶差分效应 , 降 低了设备和传播介质误差影响 ; (4) X 波段观测的电 离层误差影响比 S 波段要小 16 倍 . CE-3 任务中观测 设备的重大变化是天马站 65 m 射电望远镜的全程参 与 , 在整个实时任务期间 65 m 望远镜工作稳定可靠 , 完全发挥了其大口径的设备优势 , 其性能优势主要 体现在射电源观测 , 提升了整个 VLBI 观测网的设备 系统误差的修正精度 . 天马站参与观测带来的另一 个巨大优势是由于可以观测更弱的射电源 , 使得可 以选取更靠近卫星的射电源 , 进一步降低传播介质 误差的影响 . 表 2 给出了和 CE-1/CE-2 比较 CE-3 工 程中 VLBI 测量精度提升的各种因素 . 在日本 SELENE 月球探测计划中 , 同波束 VLBI 技术得到了成功应用 , Rstar 和 Vstar 之间则通过同波 束 VLBI 测量实现高精度 ( 皮秒量级 ) 的同波束差分
应用于运动平台光电跟瞄系统的惯性参考单元研究综述
第 32 卷第 3 期2024 年 2 月Vol.32 No.3Feb. 2024光学精密工程Optics and Precision Engineering应用于运动平台光电跟瞄系统的惯性参考单元研究综述李醒飞1，2，何梦洁1，拓卫晓1，2*，王天宇1，韩佳欣1，王信用1（1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072；2.深海技术科学太湖实验室，江苏无锡 214000）摘要：目标的变化和任务的拓展对光电跟瞄系统提出了快速机动的要求，从地基平台到车载、船载、机载、星载等运动平台是光电跟瞄系统的重要发展趋势。
基于惯性参考单元（Inertial Reference Unit，IRU）的视轴稳定方式是克服运动平台高频扰动，实现光电跟瞄系统微弧度甚至亚微弧度级跟瞄的主要技术手段。
针对运动平台光电跟瞄系统精确指向对载体基座扰动抑制的需求，分析和对比了IRU的各种技术方案，特别介绍了利用低噪声、宽频带惯性传感器敏感角扰动，并通过反馈控制实现视轴惯性稳定的系统方案。
从此类IRU系统的工作原理出发，阐述了系统的两种工作模式及功能特点，建立了系统数学模型。
然后，介绍了IRU的国内外研究进展及发展方向，指出惯性传感、支承结构和控制系统是决定IRU稳定能力的关键因素，梳理了三项关键技术的研究动态。
最后，总结了IRU的空间应用情况，并结合目前的应用需求对其未来应用领域进行了探讨。
关键词：惯性参考单元；运动平台；光电跟瞄系统；视轴稳定；扰动抑制中图分类号：V19 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20243203.0401Review on inertial reference unit applied to photoelectric tracking and pointing system of moving platform LI Xingfei1，2，HE Mengjie1，TUO Weixiao1，2*，WANG Tianyu1，HAN Jiaxin1，WANG Xinyong1（1.State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments， Tianjin University，Tianjin 300072， China；2.Taihu Laboratory of Deepsea Technological Science， Wuxi 214000， China）* Corresponding author， E-mail： tuoweixiao@Abstract： The evolution of objectives and the broadening of tasks have heightened the need for swift ma⁃neuverability in the photoelectric tracking and pointing system. Shifting from ground⁃based to diverse mo⁃bile platforms such as vehicles, ships, aircraft, and spacecraft marks a significant trend in the development of photoelectric tracking and pointing systems. The stabilization of the line of sight using an inertial refer⁃ence unit (IRU) is essential to counteract the high⁃frequency disturbances encountered on these mobile plat⁃forms, enabling the system to achieve tracking accuracy at the micro⁃radian or even sub⁃micro⁃radian level. 文章编号1004-924X（2024）03-0401-21收稿日期：2023-06-30；修订日期：2020-08-10.基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.62203322）；中国博士后科学基金资助项目（No.2022M712372）；深海技术科学太湖实验室“揭榜挂帅”项目资助项目（No.2022JBGS03001）第 32 卷光学精密工程This paper delves into various IRU implementation strategies to mitigate disturbances from the carriers, ensuring precise aiming of the photoelectric tracking and pointing system on moving platforms. It highlights a system design that employs low noise and wideband inertial sensors for angle disturbance detection and achieves line of sight stabilization via feedback control. The document details the system's operational modes, functional features, constructs its mathematical model, and reviews both domestic and internation⁃al research advancements and future directions in IRU technology. It emphasizes that inertial sensing, sup⁃port structures, and control systems are critical to IRU's stabilization performance, and it organizes the lat⁃est research trends in these three vital areas. Conclusively, the paper outlines the spaceborne applications of IRU and explores potential future application domains, considering current demands.Key words： inertial reference unit；moving platform；photoelectric tracking and targeting system；line-of-sight stabilization； disturbance suppression1 引言在天文观测［1］、激光通信［2］和量子通信［3］等领域，目标的变化和任务拓展对光电跟瞄系统提出了快速机动的要求，从地基平台到车载、船载、机载、星载等运动平台拓展是光电跟瞄系统的重要发展趋势。
月球车设计报告
4.1 模拟路况的建立 ....................................................................................................... 17
设计原理与方法 2—月球车行走系统设计与分析
设计原理与方法Ⅱ
--月球车行走系统设计与分析
学生学号：02011310 学生姓名：石卓 指导老师：钱瑞明 完成日期：2014 年 6 月 27 日
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设计原理与方法 2—月球车行走系统设计与分析
摘要
近年来，月球探测工程越来越成为世界关注的工程，而月球车是月球探测工 程的重要组成部分,也是实现月球探测目标不可缺少的重要媒介。月球车已经成 为国内外行星探测机构研究的一个热点。本篇文章针对月球的复杂地形环境,利 用 solidworks 软件、ADAMS 软件建立六轮摇臂- 转向架式月球车的三维仿真模 型,对其进行动力学仿真分析,获得月球车各部件和整车的动力学特性曲线,为月 球车控制系统的设计与数值计算提供理论依据.同时也建立各轮转角参数关系和 力学关系并研究月球车的越障能力。 关键字：月球车 六轮摇臂 adams软件
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一、设计任务及要求
设计原理与方法 2—月球车行走系统设计与分析
1.1 设计任务
(1) 查阅相关资料，了解设计背景及要求，熟悉相关设计、分析方法及软件 使用；
(2) 提出一种月球车行走系统实现原理与结构方案，确定传动系统、执行系 统方案，完成机械系统总体方案设计；
(3) 按总质量不超过 50kg、移动速度不小于 0.1m/s，并估计摩擦等载荷进行 电机选择计算【建议采用 Maxon 直流伺服电机，配 Maxon 行星齿轮减速 器】；
月球探测车轮土交互作用实验设计与仿真分析
月球探测车轮土交互作用实验设计与仿真分析孙鹏1，高峰1，贾阳2，李雯1，赵斌11北京航空航天大学汽车工程系，（100083）2中国空间技术研究院总体部，（100094）Email: buaa_sunp@摘要: 为了研制适合月面的车轮结构、提高月球车的牵引通过性和工作可靠性，需要解决车轮与月壤的交互作用这一关键问题。
月壤颗粒细小，容易打滑，月球探测车在月壤上运行容易发生下陷而无法前进。
针对月球探测车的设计需要，以月壤的力学特性作为参考依据，对车轮行走试验所用的模拟月壤进行了初步配制，研制了行星探测车行走性能试验台，设计了实验方案。
充分考虑月壤的离散特性，运用基于散体力学的离散单元法对车轮与土壤的交互作用进行了数值分析，对轮齿高度和轮齿数目对车轮牵引性能的影响进行了讨论。
关键词: 月球车；轮土交互作用；模拟月壤；土槽试验台；离散单元法月球探测车（简称月球车）是进行月面探测的最为重要的设备之一，我们希望月球车能够在月表平稳运行并向地球传递有效数据，完成探测任务。
轮式车辆因其平稳、灵活、机动性强的特点成为月球探测车的首选。
月面环境恶劣、月表风化层（即月壤）特性复杂，为了设计在月表运行的轮式车辆，需要认真分析车轮与月壤的交互作用。
月壤颗粒细小、无水、离散性强，与地球表面土壤有很大的不同，低重力的月面环境让月壤的特性变得更加复杂。
而结合现有的条件只能在地球表面进行相应的土壤试验和仿真分析，去模拟和推测车辆在月面行驶的情况。
室内土槽试验台在国外被广泛应用于设计耕作机械部件及农机具，其主要特点是试验可以不受季节与气候的影响、试验重复性好、因素可以控制、有较强的对比性、试验精度高，采集的数据准确可靠。
而研究轮土交互作用，室内土槽试验是必不可少的试验设备。
而国内仅吉林大学、华南农业大学等几家单位拥有室内土槽，其机构较为庞大，都为研究大型车辆和农业触土部件，并没有用于研究月球探测车的专用土槽。
美国的麻省理工学院设计了一种小型的室内土槽用于研究单轮的轮土交互作用[1]，在国内，我们的研究小组设计并加工出了专用于研究行星探测车辆与土壤交互作用的土槽试验台。
一种捷联惯导系统加速度计时间延迟参数标定方法
ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｅｒｒｏｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｅｌＴｏｒ￣，ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｍ ｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｅｒｒｏｒｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｇｙｒｏ ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ｅｌＴＯＩ＇ Ｓ， ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ， ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅａｃｈ ｅｒｒｏｒ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｅｒｒｏｒ ａｒｅ ａ ｌｓｏ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｒｔｈ—ｐｏｉｎｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｆ ｏｒ ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ａｘｅ，ｔｈｅ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｅｒｏｒｓ ａｒｅ ｏｐｔｉｍ ｉｚｅｄ ｆ ｏｒ ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｔｈｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｍｅ—ｄｅｌａｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖａｌｉｄａｔｅ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｓｏｍｅ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｆｏ ｒ ｆｕｔｕｒｅ ｓｔｕｄｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｔｒａｐｄｏｗｎ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ （ＳＩＮＳ）；Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ；Ｔｉｍｅ—ｄｅｌａｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
基于帧差法的运动车辆检测算法研究
• 35•针对车辆的运动目标检测，帧差法可以迅速、精准地把监控视频中的运动车辆检测出来，也就是把运动目标从序列图像中提取出来。
在发展社会经济的大背景下，我们的城市越来越城市化，但是随之而来的问题也越来越多，比如生活的秩序很混乱，这时实时的人数统计就可以发挥它的作用了。
如：优化调度电梯可以采用统计电梯的人数来完成，这样电梯的利用率就会显著提升，用户就不会花大量的时间去等待。
甚至，我们还可以去统计交叉路口处的人流量、车流量，这样的话，就可以妥善安排好执勤人员的工作时间和工作量。
所以基于机器视觉的公路流量检测技术的研究，主要就是为了将终端的智能化给提高上去（曹富奎，白天，许晓珑.基于公路监控视频的车辆检测和分类），在系统的终端实现运动目标检测和目标跟踪及在此基础上的人物动作行为分析等功能。
其主要优势体现在以下两个个方面：减少人力、提高计数的准确性、提高可靠性。
就目前而言，可应用于高速入口及出口监控摄像头的智能化实现，在视频监控实现监控流量功能以及在市内高峰期时间段的车辆流量统计，从而分担监控中心的人工监控工作负担，提高网络监控系统的工作效率。
1 运动车辆检测算法通常，运动目标可以通过以下流程进行检测。
首先，对需要检测的视频进行读取操作，然后将视频分为一帧一帧的然后进行预处(1)进行相减操作，得到差分图像后，我们可以自行设置一个阈值T ，然后对差分图像进行二值化处理，此时用到公式(2)，再对二值图像进行连通性分析即可判别运动目标。
两帧差分法的流程图如图2所示。
如果设定阈值为T ， (1)式中：D n (x , y )——差分图像；f n (x , y )——第n 帧图像；f n -1(x , y )——第n -1帧图像；T ——差分图像二值化阈值。
(2)式中：D n (x , y )——差分图像；R n `(x , y )——二值化图像；T ——差分图像二值化阈值。
虽然两帧差法有实现简单和运算速度快的优点。
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２ 差分相 时延监视 月球车动作灵敏度 分析
图１ 给 出 了Ｖ Ｌ Ｂ Ｉ 差 分相 时 延监 视 月球 车 动作 灵 敏度 的示 意 图． 如 图１ （ ａ ） 所示， ｃ ７ － 为Ｖ Ｌ Ｂ Ｉ 几何时延， Ｃ Ｔ＝ ＢＣ Ｏ Ｓ ０ ， 因此， ｄ （ ｃ Ｔ ） ／ ｄ Ｏ＝ 一 Ｂ ｓ ｉ ｎ ０ ． 在此， ０约等于仰角． 当 变化很小时， ｄ Ｏ ≈ＡＯ ≈一 Ａ ／ Ｌ， ｄ （ ｃ Ｔ ） ＝Ａ（ Ｃ Ｔ ） ， 因此， △Ｓ ｐ ≈Ｌ ／ （ Ｂ ｓ ｉ ｎ ０ ） ×Ａ（ ｃ 下 ） ，
摘要 ２ ０ １ ３ 年１ ２ 月１ ４ 日 嫦娥三号成功软着陆 ， 随后开展两器分离、两 器互拍等任务． 利
用 同波束ＶＬ ＢＩ（ Ｖ ｅ ｒ ｙ ｌ ｏ ｎ ｇ ｂ ａ ｓ ｅ ｌ ｉ ｎ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｒ ｙ ） 技 术 同时观 测着 陆器 和玉兔 月球 车
谱， 分析 了月球车移动过程 中的抖动情况及 与月面地形 的关系．
关键词 月球 ， 技 术 ：干 涉 ， 技 术： 其 他 诸 多方 面 ， 方法： 解 析， 方 法： 其 他 诸 多方 面
中图 分 类 号 ：Ｐ １ ６ ４ ； 文献标识码： Ａ
１ 概 述
嫦 娥 三 号 探 测 器于 北 京 时 间２ ０ １ ３ 年１ ２ 月１ ４ 日２ １ 时１ １ 分 在 月球 虹 湾 以东 地 区成 功软 着 陆， 着 陆点 为西 经 １ ９ ． ５ １ 。 ， 北 纬４ ４ ． １ ２ 。 ．着 陆 后开 始 执行 两 器 分 离和 两 器互 拍 任 务．在
取 了 月球车 玉 兔在 第 １ 个 月昼５ 次移 动 的速 率 ， 并利 用 差分 相 时延 拟合 残 差 的频谱 ， 分析 了月球车 移动 过程 中 的抖 动情 况及 与 月面地 形 的关系 ． 本 研究 提供 了一种 基于 地面 测量
进行 月球 车速率 测 定和动 作分 析 的方法 ．
式 中Ｊ Ｅ ｝ 为基线 长度 ， ｃ 为光速 ， 丁 为 时延 ， 为地 月 间距 离 ， △ 是在 天球切 面 内监视 月球车 动 作 的灵敏度 ［ ７ 】 ．
第５ ６ 卷 第４ 期 ２
学
报
Ｖ０ １ ． ５ ６ Ｎ Ｏ． ４
ＡＣＴＡ ＡＳ ＴＲ０ Ｎ０ Ｍ Ｉ ＣＡ Ｓ Ｉ ＮＩ ＣＡ
Ｊ ｕ １ ． ，２ ０ １ ５
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． １ ５ ９ ４ ０ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ０ ０ ０ １ — ５ ２ ４ ５ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ４ ． ０ ０ ５
于 差 基 球 车速率测定和动作 分 析冰 相 时 潘 超 ， ２ 十 刘庆会 ｛ 郑 鑫 ， ２ 贺庆 宝 ， ２ 吴 亚军 ， ２ － 延 ． ＝ 甘 （ １中国科 学院上海天文 台 上海 ２ ０ ０ ０ ３ ０ ）
（ ２中国科学院大学 北 京 １ ０ ０ ０ ４ ９ ）
２ ０ １ ４ － １ ２ — ２ ２ 收到原稿， ２ ０ １ ５ — ０ ２ — ０ ４ 收 到 修 改 稿
国 家 自 然 科 学 基 金 项 目（ １ １ ２ ７ ３ ０ ４ ９ ，１ １ ４ ７ ３ ０ ５ ９ ） 、 上 海 市 导 航 和 定 位 重 点 实 验
室（ ３ ９ １ ２ Ｄｚ ２ ２ ７ ３ ３ ０ ０ １ ）资助
两器 分离和 两 器互 拍过 程 中着 陆器 和 月球 车 的距 离很近 ， 射 电望远 镜主 波 束可 同时接 收 来 自两 个 探 测 器 的信 号， 满 足 同波 束ＶＬ ＢＩ 观 测 条件 ．中 国科 学 院ＶＬ Ｂ Ｉ 网４ 架 射 电望远
镜（ 上海天马６ ５ Ｉ ｎ（ Ｔ Ｍ） 、北京５ ０ ｉ ｎ（ Ｂ Ｊ ） 、 昆明４ ０ ｉ ｎ（ ＫＭ） ￥ Ｎ 乌鲁木齐２ ５ ｍ（ ｕ Ｒ ） ） 对整
个 过 程采 用 同波 束ＶＬ ＢＩ技 术进 行 跟 踪 观 测 ． 利用 观 测 得 到 的着 陆 器和 月球 车 的信 号， 提取 积 分 时间０ ． ９ ８ ３ ０ ４ ｓ 的相 关相 位 ， 分别 计 算两 个 探测 器 的残 余相 时延 ， 差分 得 到含 整
周模 糊 度 的差 分相 时延 ．对 两个 探 测器 的相 时延进 行 差 分， 可 以消 除 中性 大气 、 电离 层 和观 测 装 置绝 大 部分 的影 响【 引．由于 着 陆器 在 月面 保 持 不动 ， 差分 相 时延 的变化 主 要
发射 的 信 号 ， 解 算 出 的 二 者 之 间 的 差 分 相 时延 能够 反 映 月球 车位 置 数 厘 米 的 微 小 变 化 ． 基 于 差 分 相 时 延 监 测 月球 车 动 作 的 高 灵 敏 度 ， 利用月球车移动 时的差分相时延数据 ， 求得 月
狷 分
球 车５ 次 移动的速率 ， 其平 均值为０ ． ０ ５ ６ ｍ／ ｓ ． 利用 差分相 时延 １ 阶 多项 式拟合后残 差的频
ｔ ｐａ ｎ ｃ ｈ ａ ｏ ＠ｓ ｈ ａ ｏ ａ Ｃ． ｃ ｎ
．
｛ ｌ ｉ ｕ ｑ ｉ ｎ 曲ｕ ｉ ＠ｓ ｈ ａ ｏ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ
３ ５ ４
天
文
学
报
５ ６卷
时 延 的高灵 敏度 ， 我们 可 以准确 地 确 定月 球车 动 作开 始和 结 束 的时 问点 ， 进 而根 据 两个 停 泊 点问 的距 离计 算 月球 车移 动 的速 率． 本文 利 用 月球 车移 动 时 的差分 相 时延数 据 ， 求