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1、月球车设计,我的研究方向,极地科考无人飞行器反恐安检机器人,背景-与月球车的缘分,参观访问 俄罗斯圣彼得堡 罗卡特行星探测器研究中心参与中国空间技术研究院总体部月面巡视探测器课题 月球车（俗称）月面巡视探测器（术语）,罗卡特（ROCAD）行星探测器研究中心-研制了苏联第一个月球车,Lunokhod 月球车（1970）前苏联在1970年11月10日发射756kg，约2.94m1.96m,罗卡特（ROCAD）中心之行,17/05/200922/05/2009,航天强国-苏联,质子运载火箭 加加林像,中国航天事业成绩斐然,中国空间技术研究院（CAST）总体部,中国空间技术研究院是中国空间技术的主要研
2、究中心和航天器研制、生产基地。总体部：空间飞行器系统工程技术总体设计和技术协调单位。主要负责各类空间飞行器的总体设计、总装、综合测试及其结构、热控、测控、天线、数据管理、空间环境等分系统的研制和各种卫星的技术开发。,曾经提交给总体部的概念图,实际样机在沙地测试的样子,2013年，“嫦娥三号”会将“中华牌”月球车送上月球。,提要,1 如何开始一个新产品设计2 月球车的功能和工作过程3 国内外巡视探测器简介4 月面环境和地形特点5 月球车的路径规划工作原理6 俄罗斯罗卡特探测器研究中心的启示7 一个月球车模型设计实例8 本科学生参与科研活动的几点体会,一、如何开始一个新产品设计,了解客户需求（要干
3、什么样的一件事）学习现有解决方案（别人干的如何）把握主要功能和性能指标（如何交差）提出概念设计方案（我怎么干）考虑特色和创新之处（做事要有亮点）执行开发设计计划（评审、执行、检查）总结与提高,什么是数字化机械产品概念设计,（1）完整的设计说明书(电子文档)；（2）作品的数字化三维模型；（3）作品运动仿真动画或视频录像基本结构功能实现创新特点,范例：一种潜航器,本科4年级学生作品,建模软件动画及特效软件流体仿真软件后期合成软件总结：一个好的概念设计就像一部好的电影，有好的创意、好的脚本和精彩的视觉效果，才能打动观众和投资人。30秒的动画能决定成败！,二、月球车的功能和工作过程,月球车是一种在月面
4、移动工作，执行科考探测任务的半自主移动平台，是一种特殊的航天器。勇气号火星车演示视频,软着陆与硬着陆,人造卫星、宇宙飞船等在降落过程中，逐渐减低降落速度，使得航天器在接触地球或其他星球表面瞬时的垂直速度降低到很小，最后不受损坏地降落到地面或其他星体表面上，从而实现安全着陆的技术。例如，通过推进器进行反向推进，或者改变轨道利用大气层逐步减速，或者利用降落伞降低速度。一般来说，每种航天器都是通过多种减速方式共同作用进行减速，达到软着陆的目的。相对于软着陆，物理上的硬着陆一般是指航天器未减速（或未减速到人员或设备允许值），而以较大速度直接返回地球或击中行星和月球，这是毁坏性的着陆。前苏联月球2、5、
5、7、8号探测器，金星3号探测器均是硬着陆，其探测数据在着陆前已送回地球接收站。,月球车、火星车的几大功能,分析岩石样本（钻探、取样、分析）-机械臂、钻机、物理化学实验室巡视与搜索（获取图像、路径规划、接近目标）-路径规划、避碰、轮系着陆与展开（耐冲击、改变形状）-能源、通讯、行走各子系统从储存状态变为工作状态落展走看钻,总结：与功能相关的机构类型：,完成钻探采样（臂手机构）适合在月球表面探测区域行走（行走机构）保证能源、通讯系统的工作（指向机构）展开系统（展开机构）重量轻、机构可靠（航天器的一般要求）软着陆（登月常用方式）,指向机构,展开机构,臂手机构,行走机构,三、国内外巡视探测器简介,Lu
6、no 1970索杰纳1994机遇、勇气号 2004其他科研样机中国空间技术研究院 样机,*,Lunokhod前苏联1970年11月10日发射756kg约2.94m1.96m,*,索杰纳（Sojourner）美国 1997年7月4日登陆火星65cm48cm30cm11.4公斤工作了3个月,*,勇气号、机遇号美国在2004年1月着陆火星185kg150cm230cm160cm发现曾经有水存在的证据,FIDO火星车样机,FIDO尺寸110cm x 97cm x 53cm，体积约为Sojourner和Rocky7的两倍，是NASA为MER（“勇气号”和“机遇号”）设计的地面样机，有一个四自由度伸展为1
7、.94m的桅杆，桅杆装有一对高分辨率彩色全景相机（比Rocky7多出的相机，用于科学探测）和一对单色导航相机。,Rocky7,Rocky系列探测车是JPL开发的地面样机，其中以Rocky 7最为成熟，它在Sojourner的基础上作了一些改进，Rocky7大小为68x48x32cm，轮径13cm。增加了一对安装在桅杆上的导航相机。主要用来验证为了在火星表面行走更长距离（50km）所需的新技术应用情况。,*,ROCAD（俄罗斯）RJ rover,*,六轮摇臂（左图为收拢、右图为展开状态）,中国空间技术研究院样机,虚拟环境测试样机,问题：,为什么国内外设计的月球车、火星车，大体都是那个样子？坦克、
8、越野车性能挺好，月球车为什么不采用那样的机构？,四、月面环境和地形特点,撞击坑岩石月壤最重要的设计约束尺度,由文献NASA SP-8023Lunar Surface Model可得月面的坡度分布、月面不平度模型以及撞击坑和月岩的大小频率分布曲线。,结合月面巡视探测器越障性能计算，月面典型障碍物密度为0.5%50%。,月面典型地形环境,撞击坑,基于目前大部分在研月球车的尺寸，主要关注小型撞击坑（0.1m3m），这些撞击坑形成的年代相对较短，轮廓明显，其组成可分为三部分：碗状坑、坑沿和溅射延伸沿12,图3-3 撞击坑（D=10）（单位cm）,岩石,岩石的分布因地域，离撞击坑的远近而变化；一般说来撞
9、击坑内部和周围的岩石分布比较密集，而远离撞击坑的地方分布较稀疏，但是也有少量岩石密布区域，仿真中考虑撞击坑内和其周围的岩石。,根据撞击坑统计规律，使用平均随机分布来生成撞击坑的位置；根据撞击坑内部和周围岩石分布情况不同，分别随机生成坑内坑外岩石的位置和半径。如图所示，其中空心圆为撞击坑，实心矩形块为岩石。,月壤,月壤是覆盖在月球表面上的一层直径小于1毫米，具有黏性的细小粒子，在月球各处的厚度不同，薄的地方只有几厘米，厚的地方有56米。在着陆器的推进器点火和月球车行走时，月壤细粒也会大量扬起，这些运动的月壤称为月球尘。,月面环境对行走机构提出的要求,能适应一定曲率的复杂曲面撞击坑能越过较小的岩石
10、岩石分布可预先了解在月壤上具有较好的抓地能力,履带机构和多杆轮腿机构的比较,越障碍高度=轮径的1.5倍,越障碍高度=轮径的1倍（L/D=3）,多杆机构使得重心的波动较不明显,总结：行走机构如何适应月面环境,有一定的柔性或自由度，以贴近曲面一定尺度下、能安全跨越尽量高的岩石驱动轮适应松软的月壤转弯灵活、效率高方便收缩和展开,五、月球车的路径规划工作原理,月球车是如何避开障碍的，是完全自主行走吗？路径规划的视频一般有遥操作、半自主和自主三种工作模式。由于远距离通讯造成的大时延，遥操作模式是不现实和效率低下的；同时，美国的火星探路者项目证明半自主工作模式也会因操作时间长、效率低而错失进行科学实验的机
11、会并使项目造价昂贵；目前，行星探测器的自主操作成为研究的热点。,月球车自主工作模式,行星探测器自主工作模式流程大致如下：首先接受地面控制台的目的地信息，而后利用自身的路径规划器替代人的判断和指示，根据传感器系统获取的周围环境信息，自动生成一条按照某种规则最优的路径，最后通过自主导航到达指定目标。,一般的路径规划是指在一个可视的区域，以移动机器人某一因素作为最优化条件，发现最佳通过路线的过程。与地面的自主移动机器人系统不同，行星巡视探测器在完成路径规划的过程中只能靠自身的环境建模和航位推算（可以使用轨道器在一段比较长的时间间隔后进行位置修正），而不能借助任何外部导航和标定系统，因此路径规划过程具
12、有动态性，不完整性。,一般的路径规划-基于二值化,RPG游戏最基础的算法A*路径搜索算法,A*算法是到目前为止最快的一种计算最短路径的启发式搜索算法，它一般只能找到较优解，而非最优解，但由于其高效性，使其在实时系统、人工智能等方面应用极其广泛。基于栅格地形图的A*及其改进算法D*等在行星机器人自主控制中被广泛采用，取得了很大的研究进展。,DEM月球车的实时地图,Digital Elevation Model 数字高程模型,FIDO传感器系统,表1-4 FIDO传感器系统,勇气号的传感器系统与FIDO基本上相同，路经规划架构与FIDO类似，均采用了基于桅杆相机的全局路径规划和基于避危相机的局部路
13、径规划复合架构。,月面巡视探测器功能框图,六、俄罗斯罗卡特探测器研究中心的启示,我的亮点是什么？,Small mars rover（19941996）,轮系之间的万向关节增加了行走机构的柔性,Roverifier算法试验平台,依据“索杰纳”火星车的“着陆器-移动机器人”架构，搭建路径规划算法实验验证平台。着陆器使用PC模拟，并设计六轮双摇臂月球车实验样机。使用此平台研究了月面巡视机器人路径规划的各种算法。,Roverifier算法试验平台,七、一个月球车模型设计实例,控制软件,控制软件及实验过程,实验录像,试验结果分析,全局算法和局部算法都能比较顺利的移植并进行实验，但月球车样机在执行路径规划
14、器规划的路径时，往往存在执行偏差，所以在程序中需要增加路径跟踪功能，以便随时纠正月球车的执行偏差。,八、本科学生参与科研活动的几点体会,自主学习能力是个人成功的关键人的知识与能力就像一盘围棋,自主学习能力是个人成功的关键！,知识能力体系的几个层面：一、工具层（常识层）：数学、英语、计算机应用、哲学二、专业层（基础层）：专业体系、专业基础科学、专业应用三、能力层（综合层）：观摩性实践（社会实践）、复现性实践（综合实验课）、执行性实践（毕业设计）、尝试性实践（比赛、毕设）、创新性实践（自主选题实践）,人的知识与能力就像一盘围棋。,知识点专业知识体系能力据点（历史业绩）开拓新的能力,参考文献,展望和寄语,新的技术诞生、有所继承、有所超越,致谢！,
