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第1章 绪论1

1.1 星球车行走系统的定义与功能1

1.1.1 无人驾驶星球车行走系统1

1.1.2 载人星球车行走系统2

1.2 星球车行走系统的基本构成2

1.2.1 动力系统3

1.2.2 驱动系统3

1.2.3 悬架系统4

1.2.4 转向系统5

1.2.5 制动系统6

1.2.6 承载和连接6

1.2.7 控制系统7

1.2.8 操控系统7

1.3 星球车行走系统的性能及关联因素7

1.3.1 星球车总体约束条件7

1.3.2 星球环境影响8

1.4 星球车行走系统研究的基础理论和方法9

1.4.1 车辆地面力学理论9

1.4.2 星球车行走系统的研究方法9

1.5 星球车行走系统研究的几个重点方向12

1.5.1 行走系统与土壤作用关系12

1.5.2 行走方式及行走系统构型12

1.5.3 自主行走的能力12

1.5.4 行走性能的预测及模拟外星球试验12

第2章 土壤特性及外星球土壤模拟13

2.1 土壤可行驶性的定义13

2.2 土壤的质地分类及其可行驶性曲线14

2.3 土壤的物理特性15

2.3.1 颗粒形态15

2.3.2 粒径分布16

2.3.3 比重和容重17

2.3.4 含水量及饱和系数18

2.4 土壤的力学特性18

2.4.1 承压特性18

2.4.2 剪切特性20

2.5 星球土壤的模拟20

2.5.1 月壤的力学特性21

2.5.2 月壤模拟材料21

2.5.3 月壤模拟的添加物质23

2.5.4 模拟月壤的制备方法25

2.6 星球土壤行驶性的测试25

2.6.1 实验室测试设备——贝氏仪26

2.6.2 现场测试设备28

第3章 星球车与土壤的相互作用30

3.1 车轮与土壤作用的机理30

3.2 星球车的轮—壤作用模型31

3.2.1 滑转率和滑转角31

3.2.2 沉陷量32

3.2.3 接触角35

3.2.4 法向应力36

3.2.5 剪切应力37

3.3 轮—壤力和力矩的计算39

3.3.1 挂钩牵引力39

3.3.2 侧向力39

3.3.3 垂向力40

3.3.4 阻力矩40

3.4 轮—壤的重复通过性40

3.5 轮—壤作用试验系统41

3.5.1 试验系统的设计要求42

3.5.2 典型轮—壤作用试验系统42

3.5.3 月球车轮—壤作用试验及分析44

第4章 星球车的行走方式47

4.1 行走方式的分类及特点47

4.2 轮式滚动行走方式49

4.2.1 爬坡性能50

4.2.2 斜坡横向移动能力51

4.2.3 断面通过性能52

4.2.4 轮式行走的主要通过性能53

4.3 腿式跨步行走方式53

4.3.1 跨步行走的原理53

4.3.2 跨步行走的动力学模型56

4.3.3 跨步行走的通过性能58

4.3.4 跨步行走的优点和不足59

4.4 轮—步式复合行走方式59

4.4.1 轮—步式行走的原理60

4.4.2 轮—步式移动的动力学模型61

4.4.3 轮—步式移动的通过性能63

第5章 星球车行走系统运动学65

5.1 运动学基础理论65

5.2 坐标系及变换67

5.2.1 车体坐标系67

5.2.2 轮地接触点坐标系68

5.2.3 运动坐标系69

5.3 姿态分析与定位69

5.3.1 位姿正运动学方程69

5.3.2 关节角变化与车姿的关系70

5.4 转向逆运动学71

5.4.1 转向角72

5.4.2 车轮转速74

5.4.3 逆运动学解析解76

5.5 基于运动学的航位推算77

第6章 星球车行走的控制79

6.1 单轮驱动控制80

6.1.1 车轮牵引驱动控制80

6.1.2 车轮转向驱动控制82

6.1.3 牵引和转向电机的选型83

6.2 多轮运动协调控制84

6.2.1 基于转速闭环的运动协调84

6.2.2 基于转矩闭环的运动协调85

6.2.3 基于滑转率闭环的运动协调85

6.2.4 行走系统动态稳定性87

6.3 遥控及自主行走控制88

6.3.1 外部环境信息获取88

6.3.2 基于几何通过性的行走控制89

6.3.3 基于支撑通过性的行走控制91

第7章 星球车行走性能评估92

7.1 行走性能评估准则92

7.1.1 通过性评估准则92

7.1.2 稳定性评估准则96

7.1.3 行走效率评估准则98

7.2 星球环境建模98

7.2.1 环境的定性模型99

7.2.2 环境的定量模型100

7.3 通过性评估模型101

7.3.1 直线行驶性能评估101

7.3.2 转向性能评估103

7.3.3 越障性能评估104

7.4 稳定性评估模型108

7.4.1 静态稳定性108

7.4.2 动态稳定性109

7.5 功率消耗的评估模型117

第8章 缩比模型的低重力试验119

8.1 低重力对星球车行走性能的影响119

8.1.1 低重力对土壤力学性能的影响119

8.1.2 低重力对“牵引-附着”性能的影响120

8.2 相似理论及其在低重力模拟中的应用121

8.3 模型试验理论基础123

8.4 星球车牵引特性的低重力缩比模型125

8.4.1 牵引特性的无因次全组125

8.4.2 模型试验比例因数127

8.5 星球车低重力缩比模型试验128

8.5.1 模型比例在低重力模拟月壤中的应用128

8.5.2 模型比例在牵引性能试验的应用129

参考文献131