基于应力分布的月球车轮地相互作用地面力学模型

机 械 工 程 学 报

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第45卷第7期 2009年7月

Vo l.45 No.7 Jul. 2009

DOI ：10.3901/JME.2009.07.049

基于应力分布的月球车轮地

相互作用地面力学模型*

丁 亮 高海波 邓宗全 刘吉成 陶建国

(哈尔滨工业大学机器人技术及系统国家重点实验室 哈尔滨 150080)

摘要：轮地相互作用地面力学在月球车的设计、性能评价、控制和仿真等方面具有重要作用，是目前基于动力学进行月球车相关研究的瓶颈。基于此，利用针对月球车开发的车轮—土壤相互作用测试系统进行试验，结合试验数据对传统车辆轮地相互作用正应力和切应力分布模型进行修正，并分析月球车轮刺高度对应力分布的影响，从而提出随滑转率变化改变沉陷指数的经验公式，以反映土壤侧向流动等引起的滑转沉陷。对应力分布公式积分得到集中力/力矩计算模型，并结合试验数据进行验证。在载荷为80 N ，滑转率从0.05增加到0.6时，模型对于车轮垂直载荷、挂钩牵引力和驱动力矩的计算值与试验数据相比，相对误差不超过10%。模型能够反映滑转沉陷和轮刺效应，可以有效地用于月球车轮地相互作用力学的计算。 关键词：地面力学 月球车 轮地相互作用 滑转率 轮刺 中图分类号：O39 U489

Terramechanics Model for Wheel-terrain Interaction of Lunar Rover

Based on Stress Distribution

DING Liang GAO Haibo DENG Zongquan LIU Jicheng TAO Jianguo

(State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080)

Abstract ：Terramechanics for wheel-terrain interaction of lunar exploring rover, which is the bottleneck of dynamics-based research at present, can play an important role in mechanical design, performance evaluation, control, simulation, etc. Experiments are done by using the wheel-terrain interaction testing system developed for lunar rover. The conventional normal and shear stress distribution models are improved according to the experimental data. And the effect caused by the wheel lugs is also analyzed. To reflect the slip-sinkage caused by lateral flow of deformable soil, the concept that the sinkage exponent should vary according to the slip ratio is proposed and an empirical formula is given. Mathematic model for calculating concentrated force/torque is deduced by integrating the distributed stresses, which is verified by experimental data. With a load of 80 N, while the slip ratio increases from 0.05 to 0.6, the relative error of calculated value and experimental data for normal load, drawbar pull and driving torque is less than 10%. The model can reflect slip-sinkage and the effect of wheel lugs, and can be used effectively for the calculation of wheel-terrain interaction mechanics.

Key words ：Terramechanics Lunar rover Wheel-terrain interaction Slip ratio Wheel lug

0 前言

月球表面覆盖了厚厚的一层由岩石碎屑和灰尘组成的松软月壤，环形山、月溪等地形结构导致

* 国家高技术研究发展计划(863计划，2006AA04Z231)、黑龙江省自然科学基金重点项目(ZJG0709)、哈尔滨工业大学优秀青年教师培养计划(CACZ98504837)和教育部高等学校学科创新引智计划(B07018)资助项目。20080729收到初稿，20090319收到修改稿

月面崎岖不平。在松软崎岖的月面环境中运行时，月球车容易发生严重的滑转沉陷和纵向、侧向滑移，导致牵引效率降低，偏离预定轨迹[1]，甚至车轮陷入月壤无法前进。车体多刚体动力学和轮地作用地面力学可以用于分析和解决这些问题。其中多刚体动力学发展已经比较成熟，而月球车轮地相互作用力学本质上是刚柔混合多体动力学问题，是月球车动力学研究的难点，日益引起国内外学者的极大关注。

基于应力分布模型计算月壤作用于月球车车