第35卷 第2期2003年2月 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报J OURNAL OF HARB IN INSTITU TE OF TECHNOLO GYVol 135No 12Feb.,2003行星越障轮式月球车的设计邓宗全,高海波,胡 明,王少纯(哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘 要:为提高月球车的越障能力,结合月球表面的复杂环境,设计了一种行星越障轮式月球车.该车主要由3大部件组成:车架、悬架(由扭杆弹簧和磁弹簧减振器并联构成)和行星越障轮.设计重点在月球车的行驶系统,该车不仅在悬架设计上考虑了行驶系统的越障性能———采用了扭杆弹簧和磁弹簧减振器相结合的形式,而且在车轮的设计上也考虑到车轮本身的越障能力———采用了行星越障轮.对该车的行驶系统进行了概述,并对行驶性能进行了分析和计算.结果表明:该车具有较强的越障能力和灵活的转弯特性,能够适应月球表面凹凸不平的环境.关键词:月球车;行星越障轮;磁弹簧减振器中图分类号:V47613文献标识码:A文章编号:0367-6234(2003)02-0203-04Design of lunar rover with planetary wheel for surmount obstacleDEN G Z ong 2quan ,G AO Hai 2bo ,HU Ming ,WAN G Shao 2chun(School of Mechanical and Electrical Engineering ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001,China )Abstract :A new type of lunar rover was designed according to the complex environment of lunar surface ,and it consists of the frame ,the suspension and the planetary wheels to surmount obstacles.Not only the combined torsion bar spring with magnetic spring absorber are employed to surmount obstacles ,but also planetary wheels are employed to surmount obstacles.The results of emperiments indicate that the rover has a strong obstacle -climbing and flexible steering capability ,and can adapt itself to rough and uneven lu 2nar terrains and topographic environment.K ey w ords :lunar rover ;planetary wheel to surmount obstacle ;magnetic spring absorber收稿日期:2002-06-13.基金项目:哈尔滨工业大学跨学科交叉性研究基金资助项目(2000.12)作者简介:邓宗全(1956-),男,教授,博士生导师. 人类利用宇宙空间探测器对月球的飞行探测已取得极大的成功.但飞行器的飞行探测仅是利用空间照片和远程传感器进行探测,在探测方式、范围和能力上都有很大的局限性.为了获得月球的进一步详细资料,必须进行表面探测.由于月球高真空、强辐射和大温差的环境,进行月球表面探测的困难和危险性很大,而月球探测车可以扩大人类活动能力,代替宇航员从事危险性大的工作,提高月球表面作业的安全性、可靠性,减小月球探测、开发的风险和成本.目前世界各空间大国都在大力研制行星表面探测机器人.为适应复杂的月面环境,月球探测车的轮式行驶系统均采用各轮独立驱动,自主工作的方式,同时各轮均采用弹性悬挂方式,故工作起来方便灵巧,同心性和转向性均较好[1,2].通过以往的实验验证可知,刚性轮具有较高的机械可靠性,较好的转向性和环境适应性,但其行驶稳定性和耐磨损性均较差;充气轮虽然具有较好的行驶稳定性和越障能力,但其环境适应能力差,故不能应用到月球车中;筛网轮的机械可靠性、越障性、行驶稳定性和耐磨性均较好,但爬坡能力相对较差;金属弹性轮的爬坡性能、耐磨损性、环境适应性以及机械可靠性、越障能力均较好,但其转向性能较差;椭圆轮、半球轮和无毂轮的爬坡和越障性能及耐磨损性能均较好,但其行驶稳定性较差,机械可靠性最低.月球探测车能够完成各种任务的前提是能够安全地在月面上行驶,并且能够越过比较小的障碍,因此其行驶系统的越障能力是完成探测任务的基本保证.以上所列举的轮式行驶系统大都是通过悬架来提高月球探测车的越障能力,只有个别的考虑到车轮本身的越障能力,而且车轮的越障能力也不是很强.本文从提高月球车的越障能力这一角度出发,设计了行星越障轮式月球车.1 月球车行驶系统概述111 月球车总体概况该车主要由3大部件组成:车架、悬架(由扭杆弹簧和磁弹簧减振器并联构成)和行星越障轮,每个行星越障轮都是独立驱动的,电机功率为10 W.由于采用了扭杆弹簧,所以该车的总的长度和高度是随着有效载荷和地面对车轮的反作用力的变化而变化的.该车质量约为40kg,外形尺寸约为90cm×73cm×53cm,在平直路面上的行驶速度为0.32km/h.112 行星越障轮图1为行星越障轮简图.具体工作原理为:由直流电机8驱动中心齿轮5转动,来带动过渡齿轮4和驱动齿轮2进行转动,而驱动齿轮2和车轮1是固接在一起的,从而带动车轮1绕驱动轮轴3转动.行星越障轮在行驶时任意两个车轮接地,对于采用四个行星越障轮的月球车来说,实际上相当于八轮驱动.行星越障轮式月球车在平坦地面行驶时,利用车轮快速驱动,其效率与普通轮式车辆相同.由于行星越障轮中的三个车轮都是驱动轮,因而有效地利用了行星越障轮的附着重量,而且较多的驱动车轮增加了车轮与地面的接触面积,降低了接地比压,从而提高了行星越障轮在松软地面的通过能力.驱动轮系随着地面对车轮1作用力的不同,相应地演变成定轴轮系或行星轮系[3].当行星越障轮在平坦的路面上行驶时,受两个车轮同时着地的约束限制,系杆7不能转动只能随车沿路面平动,此时驱动轮系演变成定轴轮系,实现在平坦路面的快速行驶;当前进的车轮碰到障碍物而停止不前时,根据差动轮系传动比关系式,驱动轮系就演变成行星轮系,系杆7带着另外两个车轮绕行星越障轮中心轴6转动,实现翻越障碍的目的. 运用差动轮系传动比的相关公式,可以得出如下关系式:ω5-ωHω2-ωH=Z2Z5.式中:ωH为系杆7的转速;ω5为中心齿轮5的转速;ω2为驱动齿轮2的转速;Z5为中心齿轮5的齿数;Z2为驱动齿轮2的齿数.当驱动轮系为定轴轮系时,ωH=0,所以ω5/ω2=Z2/Z5,车轮1与中心齿轮5具有相同的旋向.当驱动轮系为行星轮系时,ω2=0,所以ω5/ωH=1-Z2/Z5,在电机转向不变的情况下,要使整个行星越障轮继续往前运动,系杆必须和中心齿轮的旋向相同,所以有ω5/ωH>0,即Z5 >Z2.当Z5/Z2取较大值时,可以提高行星越障轮的越障能力,但取值过大,不仅不利于机构的小型化,而且增加机构的实现难度.行星越障轮不需要复杂的辅助机构来实现平面上运动与越障运动之间转换,因此作业时具有很高的可靠性,特别适合用在人类难以到达环境下作业的作业器上.所以,采用行星越障轮的月球车能够适应凹凸不平、表层土壤松软的月球地形表面环境.113 扭杆弹簧悬架前苏联发射到月球上的Луноход1月球车和Луноход2月球车都应用了扭杆弹簧悬架.扭杆弹簧悬架和扭杆弹簧主要具有以下优点[4]:(1)单位质量扭杆弹簧所贮存的能量比其他种类的弹性元件都大,即当能容量相同时,扭杆弹簧具有较小的质量;(2)应用扭杆弹簧可使非簧载质量减小,有利于月球探测车行驶平顺性的提高;(3)扭杆弹簧与固定臂和调节臂的连接结构・42・哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第35卷 简单;(4)由于扭杆弹簧的一端与调节臂相连,因而可以通过不同的装配预扭角实现车身在一定范围内的高度调节.基于以上原因,本设计的月球车也采用了扭杆弹簧悬架.前苏联发射到月球上的Луноход1月球车和Луноход2月球车的运行寿命主要取决于扭杆弹簧的疲劳寿命,一旦其中一根扭杆弹簧由于疲劳而产生断裂,那么这根扭杆弹簧所在的车轮也就无法支撑车体重量,车体将处于不稳定状态,如果继续在月球表面凹凸不平的地形上行驶,月球车非常容易翻车.因此,在本设计中有必要采取措施,即使扭杆弹簧由于疲劳而断裂,也要保证这根扭杆弹簧所在的车轮对车体继续起到支撑作用,而且支撑力最好是可以在一定的弹性范围内变化的,这样,仍能够缓和由于车轮的上下跳动对车体内部仪器所产生的振动和冲击.从而保证月球车能够继续行驶.另外,扭杆弹簧悬架受到冲击后,将产生振动,故悬架还应包括减振器,使振动迅速衰减.综合以上两点考虑,本设计采用了磁弹簧减振器和扭杆弹簧并联形式的悬架.磁弹簧减振器既可以起到弹性元件的作用,也可以起到减振器的作用,从而满足以上两点要求.114 磁弹簧减振器现有的减振器主要以液体或气体作为介质进行减振,有着严格的密封要求.月球表面昼夜温差大,白昼温度高达130～150℃,夜间温度可下降到-160～-180℃,同时,月球表面又是高度真空环境.在这种条件下,减振器内的液体的粘度将有很大的变化,同时,由于热胀冷缩液体或气体的体积也将会有很大的变化,这就使得减振器的减振性能变得难以控制.另外,在月球的高度真空环境下,要实现严格的密封是非常困难的,即使能够达到密封条件,那么减振器的体积和重量不但要增大,而且制造成本将成倍增长,也就意味着发射成本的增加.磁弹簧减振器就是利用永久磁铁构成的磁弹簧以及导体中涡流的阻尼作用实现可调节减振的一种非线性减振器[5].本设计所采用的磁铁为钕铁硼烧结永磁铁,磁铁的最高工作温度可达180℃,能够适应月球环境.另外,使用磁铁不需要提供额外的能源,也没有严格的密封要求,所以磁弹簧减振器能够很好地适应月球环境.如图2所示,磁弹簧减振器的工作原理为:三块永久磁铁的磁极两两相对地安装在如图所示的位置,下磁铁7固定在下磁铁安装座8中,下磁铁安装座8与扭杆摇臂相连,活动磁铁6在两个固定磁铁的排斥力作用下停在中间,活动磁铁又通过活塞杆1与车架相连,从而实现扭杆弹簧与磁弹簧减振器的并联.上下磁铁之间距离可以通过调整上磁铁5的位置来调整,这样就可以改变磁弹簧减振器的刚度.图中除了磁铁以外的其他零件均是用非导磁材料制造的,以便减少漏磁,最大限度地利用磁铁的能量.这种减振器的优点是体积小,安装方便,可以用于任意方向和任意频率机械振动的动力吸振. 结合扭杆弹簧的扭转特性,本文对磁弹簧减振器的压缩和拉伸行程、磁铁之间排斥力的大小等有关数据都进行了细致的计算,最终确定了磁弹簧减振器的所有参数.2 低重力模拟试验装置为了模拟月球的低重力环境,以便取得较为真实的试验数据,本文还设计了低重力模拟试验装置.试验装置见图3. 取配重为月球车重量的5/6.由于月球车向前运动,使得将月球车向上拉的钢丝与竖直方向・52・第2期邓宗全,等:行星越障轮式月球车的设计形成夹角α,通过计算可以得出,当α<3o时,月球车52即可带动小车2在横梁上前进.另外,在试验过程中设法保证配重不进行摆动,以消除摆动对实现低重力条件造成的影响.这样,月球车受到的垂直向上的拉力将在很小的范围内变化,确保了低重力环境的实现.3 行驶性能分析311 侧倾角车辆侧倾角是评定车辆单侧车轮同时越过障碍物的最大高度的能力和车辆在倾斜路面行驶能力及车辆行驶稳定性的重要指标.如图4所示,月球车在倾斜角度为α的坡面上匀速行驶,在低重力环境下,该车的质心位置不会发生变化,图中给出的是在低重力环境下该车所受的重力沿坡面和垂直坡面的两个分力.当α角达到一定数值时,该车将以图中所示下面车轮的外侧为轴线进行侧翻,此时上面车轮的支反力为零,虽然下面的车轮受到月面的支反力和摩擦力,但这些力都通过侧倾轴线,所以,侧倾角α的计算公式为G・cosα・L≥G・sinα・H,即 tanα≤LH.(1) 由式(1)可以看出,月球车的重心高度越低,其侧倾角越大,但重心高度过低,将导致底盘高度降低,影响月球车的通过能力.因此,设计时应尽量将重量集中在车轮上,在保证降低重心高度的同时又不影响通过性能,而且这样也增加了月球车的稳定性.本设计中L=30915mm,H=244 mm,则求得该车的侧倾角为5117o.312 极限越障高度要跨越垂直障碍应首先达到如图5所示的状态,所能跨越垂直障碍的极限值H与上面车轮的水平中心线是平齐的,从图中的几何关系可以得出H的数值:H≤r+2R・sin60°.其中r=615cm,R=814cm,则H=21cm. 如果是月球车单侧车轮越障,由于一侧车轮抬高21cm,使车体与水平路面形成的倾角是远小于侧倾角的,所以不会有翻车的危险.在月球车行进的过程中,首先应判断所遇到障碍物的最大垂直高度是否超过21cm,如果低于21cm,则可以通过,如果高于21cm,那么就应绕行来躲避障碍.313 爬坡能力月球车沿坡道匀速行驶的受力如图6所示.作用在月球车上的行驶阻力有:(1)坡度阻力在坡道上行驶时,重力沿坡道的分力即为坡度阻力为F i=G・sinθ.式中:G为月球车在月球环境下的重力.(下转第209页)・62・哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第35卷 误差很大的区域,在构建定量构效关系模型时首先应避开这一区域.同时也可以很容易地找到相关系数最大、百分误差最小的隐含层节点数和训练次数.这样,既提高了构建人工神经网络定量构效关系模型的工作效率,又保证了模型的预测精度.2 结论(1)通过三维图可直观地发现和选取合适的人工神经网络训练中的关键参数:隐含层节点数与网络训练次数.(2)采用C 语言和Matlab 语言编写的三维图计算机绘制软件为准确建立人工神经网络定量构效关系模型提供了简便、快捷、准确的方法和技术,具有进一步开发应用前景.参考文献:[1]许 禄,吴亚平,胡昌玉,等.苯胺类化合物结构-毒性定量构效关系研究[J ].中国科学(B ),2000,30(1):1-7.[2]MOOD Y J.The dependence identification neural net 2work construction algorithm [J ].IEEE Transaction on Neural Networks ,1996,7(1):3-15.[3]CHEN C L P.A rapid supervised learning neural net 2work for function interpolation and approximation [J ].IEEE Transactions on Neural Networks ,1996,7(5):1220-1230.[4]吕柏权,李天铎.一种具有全局最优的神经网络BP 算法[J ].清华大学学报:自然科学版,1997,37(2):32-34.[5]廖宁放,高稚允.BP 神经网络用于函数逼近的最佳隐层结构[J ].北京理工大学学报,1998,18(4):476-480.[6]汪家道,孔宪梅,陈大融.节点自删除神经网络及其在磨粒识别中的应用[J ].清华大学学报:自然科学版,1998,38(4):42-46.[7]王桂莲,白乃彬.多氯酚QSAR 数值模型比较研究[J ].环境科学学报,1996,16(2):190-193.[8]王 鹏,陈春云,郭晓燕,等.用于有机化学品生物活性预测的人工神经网络[J ].哈尔滨工业大学学报,1999,31(1):101-103.(编辑 刘 彤)(上接第206页) (2)滚动阻力F f =G ・cosθ・f .式中:f 为车轮滚动阻力系数;F t 为作用在每个车轮上的驱动力F ti 之和.又因为F t ≤N φ.式中:N 为驱动轮的地面法向反作用力总和;<为车轮与路面间的附着系数.综合以上三式,月球车沿坡道匀速行驶时的受力方程为G ・sin θ+G ・cos θ・f ≤G ・cos θ・φ,则θ≤arctan (φ-f ).314 转弯半径该车没有专门的转向机构,这样在结构上相对简单一些,转弯是由控制左右两侧车轮的不同速度来实现的.设左右车轮的速度为V 1和V 2,则月球车的转弯半径为R =i +1i -1・B 2,式中:i =V 1V 2,B 为左右车轮中心线之间的宽度.当V 1与V 2方向相反时,R 的数值较小,当V 1=-V 2时,R =0,因此该车不但可以实现较小的转弯半径,而且还可以实现原地转弯.(下转第213页)・902・第2期高大文,等:人工神经网络中隐含层节点与训练次数的优化2 结 语 燃烧器墙式布置的锅炉,其气、固两相湍流在燃烧器射流出口时就已经发生了作用.将上层燃烧器一、二次风射流改为同心双切圆布置形式后,增大了炉内湍流动能,使气固混合程度加强,湍流运动的涡旋扩散减弱,气流对壁面的冲刷减少变弱.在一定程度上起到提高煤粉燃尽程度、避免受热面结渣的作用.研究表明,适当地采用一、二次风同心双切圆布置形式能够有效地改善炉内的煤粉颗粒浓度分布,从而抑制结渣和高温腐蚀等现象的发生.此项研究成果,为今后锅炉改造提供指导和借鉴.参考文献:[1]何佩鏊,赵仲琥,秦裕琨.煤粉燃烧器的设计与运行[M].北京:机械工业出版社,1987.[2]柳朝晖,郑楚光.不同旋流数下湍流气粒两相流动特性的PDPA实验研究[J].化工学报,2001,52(6):490-494.[3]FRANCISCO G,SAN TOS C R.Transition to turbu2lence in the Reynolds’experiment[J].Physica A,2001,297(1-2):73-78.[4]蔡树棠,刘宇陆.湍流理论[M].上海:上海交通大学出版社,1993.(编辑 虹 桥) (上接第209页)4 结论(1)本文设计的行星越障轮式月球车,不仅在悬架设计上考虑了行驶系统的越障性能———采用了扭杆弹簧和磁弹簧减振器相结合的形式,而且在车轮的设计上也考虑到车轮本身的越障能力———采用了行星越障轮.(2)该车具有较强的越障能力和灵活的转弯特性,能够适应月球表面凹凸不平的环境.参考文献:[1]JOHN E B,WILL IAM L W.Configuration of au2tonomous wallkers for extreme terrain[J].The Interna2 tional J of Robotics Research,1993,12(6):535-559.[2]BEKKER M G.The development of moon rover[J].Journal of the British Interplanetary S ociety,1985,38: 537-543.[3]张海洪,谈士力,龚振邦.全方位越障机构的设计[J].机械设计与制造工程,2000,29(3):12-13. [4]王祖禹,江辉,李保全,等.扭杆弹簧和扭杆弹簧悬架的设计[J].汽车技术,1999(1):3-8.[5]龚余才.稀土磁弹簧吸振器特性的研究[J].南京航空航天大学学报,1995,27(3):376-381.(编辑 闫 彤)・312・第2期吕 薇,等:燃烧器墙式布置锅炉燃烧器区域湍流特性研究。
