构建月球基地是月球探测的核心目标之一。作为一个巨型项目,月球基地总体建设涉及空间运输、能源、结构构建、月面移动、资源利用、科学探索、测控通信等诸多方面。文章尝试论述构建无人月球基地的任务目标、核心功能与组成、概念方案、实施步骤等核心要素,提出构建无人月球基地的总体思路,为未来月球基地任务的实施提供参考。
分析了无人月球采样任务,包括采样及封装方式分析,飞行过程选择与轨道初步方案,月面软着陆方式选择,月球轨道交会对接的需求,月面起飞上升的要点,地球大气高速再入返回器的外形选择等。在此基础上提出了三种不同的无人月球采样返回任务概念设想,并对其进行了简要比较和分析。
在对月球机器人操作动力学进行建模和分析的基础上,论证了月球机器人在复杂的月面环境进行各种样本采集工作时,车体会因为月球的微重力环境及松软的月壤而出现滑移现象。提出了以速度作为补偿判断标准的方法。通过仿真分析,论证了月球机器人工作补偿的必要性;同时,基于月面多变而未知的复杂环境,验证了不同参数对仿真结果的影响,进一步确认了对月球机器人进行工作补偿的必要性。
Ad hoc网络作为一种不依赖于任何固定设施的临时性多跳自治系统,是解决月球探测过程中多机器人通信问题的可行选择。由于月球探测多机器人通信系统对节能和实时性等方面的特殊要求,现有的Ad hoc网络路由协议还难以满足工程设计和实际应用的需求。因而,结合月球探测环境下的实际工程需要,对现有的Ad hoc网络路由协议进行优化设计就成为关键。在分析月球探测多机器人通信系统拓扑结构的基础上,给出了系统中各节点的能量消耗模型;进而,建立了路径寻优的数学模型,在动态源路由协议DSR的基础上设计了一种基于能量约束的Ad hoc网络路由协议。该协议综合考虑了通信系统对于节能和实时性两方面的需求,将路由跳数、路由传送功率、节点剩余电池能量作为路由度量,采用改进的离散Bellman-Ford算法进行最优路径的求解。仿真实验结果表明,该协议在保证通信系统实时性的前提下,可延长网络生存时间,能为月球探测多机器人系统提供更可靠的通信保障。
介绍了基于VC++的月球车的数据采集处理系统。利用数字罗盘对月球车机器人的俯仰角、航向角和横滚角进行数据采集,并通过对话框实时得到检测数据。采用模糊控制的研究策略,运用MFC对采集的数据进行处理,使机器人的姿态测量精度稳定在±5°左右,有效地保持了机器人在运行中的水平状态,验证了该数据采集处理系统在保持机器人水平运行中的可行性。
简述当前国内外探月研究进展及月球探测(车)机器人研究发展情况。基于月球的复杂环境特征,对比轮式运动与步行式运动月球探测(车)机器人的优势与缺陷,重点介绍了一种新型六轮腿式月球探测机器人方案。该方案具有高机动性,越障能力强,容错性好等特点,对该方案主要技术性能、本体结构、运动系统、轮腿切换机构工作原理等关键技术进行了探讨。
利用虚拟现实技术虚拟出月球机器人在月面上的作业环境和作业过程,是提高机器人作业的安全系数和工作效率的一条有效途径。在3D重建得到的虚拟月面环境中,如果采用通常的单纯基于运动学(或者动力学)模型的仿真方法,对机器人的作业和运动进行虚拟,那么机器人与地形交互的过程中容易产生接触偏差。而且,随着仿真时间的推进,这种接触偏差会逐渐积累并不断增大,进而严重影响仿真测试的精度和效果。为了消除月球机器人仿真中的轮地交互误差,在分析误差来源的基础上,提出了基于运动学优化的解决方法。最后利用实际的虚拟现实仿真系统,验证了所提出方法的有效性。
月球车的设计,就行进方式而言,多以轮式车为主。考虑到国外已有的车型及相关研究也多以轮式车为先,这里提出了一种双层框架型腿式车的设计方案,它兼具腿式车和轮式车的优点。文章建立了该型车的三维模型,并利用虚拟样机技术,构建起月球车的动力学仿真环境,并进行了控制算法和步态的设计,通过联合仿真,完成了此车的初步方案设计工作。
以轮式月球车为研究对象,提出了一种六轮月球车双曲柄滑块联动悬架系统,对其结构特点、地面自适应和越障原理进行了分析,采用模块化思想完成了双曲柄滑块联动月球车的机械设计,并进行了样机研制和场地试验。室内测试和场地试验表明,双曲柄滑块联动月球车通过曲柄滑块机构将车轮竖直方向的位移转化为滑块水平方向的位移,具有较好的平顺性、地面自适应能力和综合移动性能,主要移动性能指标(速度0·1m/s、越障0·2m、爬坡30°)基本满足探月需求。
