CN102564784B - 月面巡视器地面行走试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种月面巡视器地面的行走试验系统，包括月球表面的月壤月貌模拟子系统、月面重力模拟分系统以及光照模拟分系统及配套试验设施，其中，月壤月貌模拟分系统用来对月表、月海/月陆区域的月壤环境进行模拟；月面重力模拟系统在地面精确复现月球重力环境中巡视器的轮地受力情况，满足巡视器地面行走试验的需求；光照模拟系统模拟着陆区域的月表光照环境。本发明的系统，已成功应用于巡视器的地面试验，配合完成移动性能、自主导航、路径规划、着陆器与巡视器的联合试验等多项试验任务，各项技术指标满足试验需求，为全面充分考核巡视器行走能力提供了条件。

Description

月面巡视器地面行走试验系统

技术领域

本发明属于月面巡视器地面试验领域，具体涉及一种月面巡视器地面行走试验系统。

背景技术

随着我国探月工程的开展，月面巡视器的研制成为了整个探月计划的关键。巡视器本身是一个复杂的系统，为保证它在月面的正常行驶，必须在地面对其行走能力，如移动性能、路径规划及自主导航等功能加以综合验证，以考察巡视器的工作可靠性。为了充分考核巡视器的性能，服务地面验证试验，需要搭建月壤月貌模拟系统，光照环境模拟系统和月面重力模拟系统及地面试验配套设施。

到目前为至，在月面成功运行的巡视探测器主要有前苏联的Lunokhod和美国的LRV，成功的火星车由美国的Sojourner和Spirit(Opportunity)。这些巡视探测器在地面进行了大量的试验。

前苏联在上世纪登月期间，建设环形土壤通道模拟试验场(长70m、宽4m)，主要包括环形坑等；还建设有综合形貌模拟试验场(长50m，宽50m)，包括环形坑、沟壑和岩石等，进行的试验内容包括：月球车的遥操作、自主行走、导航、避障性能考核试验。

早在1965年，美国为Apollo计划在休斯顿约翰逊空间中心建立了一个空间环境模拟室(SESL)，以提供Apollo时期所有载人航天器和LRV的地面试验。LOCKHEED导弹和空间公司(LMSC)建立了一个高大的人造仓，来模拟月球庇护所和月球太空舱外环境，其中的测试床允许确定相互作用效应，包括重力的减少、合适的阻碍物、与高度有关的压力的减少，综合1/6的重力、合适的障碍物、真空条件等，进行月面巡视探测器所面临的环境的模拟试验，从而降低月球探测任务中操作控制的风险。

除了美国、前苏联为其月球车的行走、导航、避障性能考核做了大量的地面试验外，日本也为考察月球车的远程操纵、自主行走和机动性，建立有综合试验场，包括月球车试验台，室内设备，仿真系统，沙盘模型。月球车试验台包括远程操纵试验台和自主巡航试验台。室内设备是为月球车试验台服务的系统。室外的沙盘模型占地80m×80m，包括了陨石坑，山丘和峡谷等月表地貌。

在模拟月壤和低重力环境模拟领域的研究上，国内已经有了部分研究成果。国内多家机构开展了大量的研究，研制出了多种模拟月壤，用于开展科学研究、土槽试验以及试验场的研究；国内低重力环境的模拟关注较多的是天线及太阳翼等的航天器外伸部件的二维零重力展开试验，国内的天线主要研制单位504所在研究10m口径的环形桁架式天线时也对展开试验机构进行了研究和应用，该展开试验系统专门针对环形桁架式天线的展开试验，采用悬挂式重力补偿方法，实际应用效果良好；对于像月面巡视探测器这样没有固定运动路径的三维立体运动试验件，其1/6g重力的模拟仍是环境试验部门待解决的难点。

在月面巡视探测器原理样机阶段，已经对月表的形貌模拟开展了初步的预先研究工作，研制加工了模拟月壤，已经建设有初步的月面巡视探测器室内试验场(试验区占地约525m2)。现有的试验场地为仓库临时改建，除了基本的试验室配套设施差距很大外，整个试验区面积也不充分；因为本身仓库的结构限制无法顶部承重，所以模拟月面无阴影光照环境效果不好；尤其是1/6g的重力模拟装置无法实现。目前对巡视器的研究主要集中在对月面巡视探测器的研制，对相关的地面试验研究很少，而在月面巡视探测器的关键技术中还有许多工作需要通过地面试验来验证和研究。因此，需要综合考虑月面巡视器地面行走试验中多种试验类型及工况，研制一种适用于巡视器地面行走试验的月面巡视器地面行走试验系统非常必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向月面巡视器地面的行走试验系统，实现对月球表面的月壤环境，地形地貌，光照环境和低重力环境的模拟，综合验证月面巡视探测器在一定范围内的移动性能和自主的导航、路径规划能力，同时也可以进行对探测器的遥操作试验。

本发明的目的通过以下技术方案加以实现。

一种月面巡视器地面的行走试验系统，包括月球表面的月壤月貌模拟子系统、月面重力模拟分系统以及光照模拟分系统及配套试验设施，其中，月壤月貌模拟分系统用来对月表、月海/月陆区域的月壤环境进行模拟；月面重力模拟系统在地面精确复现月球重力环境中巡视器的轮地受力情况，满足巡视器地面行走试验的需求；光照模拟系统模拟着陆区域的月表光照环境；

其中，配套试验设施主要包括场地监控设备、调度电话、水、电的条件保障设施。

其中，包括模拟月壤水平区、模拟月壤坡道区、模拟月坑，模拟月岩以及综合模拟月面区，这些区域均采用模拟真实月壤力学性能的模拟月壤来构建，其中，模拟月壤水平区内包含至少两种以上的模拟月壤，以用于研究巡视器在不同性能指标的模拟月壤上的行走能力；模拟月壤坡道区内包含至少两种角度以上的坡度，以用于研究巡视器在不同坡度上的行走能力；模拟月坑和月岩根据试验需要和场地规划，在模拟月壤水平区和坡道区随机分布，以用于验证巡视器的越坑和越障能力，综合模拟月面区主要由模拟月壤构成，包含斜面、模拟月坑以及模拟月岩的多种月面典型形貌，且随机分布，可用于验证巡视器移动性能、自主导航和路径规划等能力。

进一步地，上述模拟月壤是同质材料火山灰制成的。

进一步地，模拟月壤是不同粒径大小的火山灰材料混合制成的，且根据真实月壤粒径的统计范围确定各种月貌下的火山灰材料的粒径配比曲线。

进一步地，各区域内的模拟月壤的平均厚度不小于30cm。

其中，模拟月壤水平区内包含至少两种以上的模拟月壤，以用于研究巡视器在不同性能指标的模拟月壤上的行走能力；模拟月壤坡道区内包含至少两种角度以上的坡度，以用于研究巡视器在不同坡度上的行走能力；模拟月坑和月岩根据试验需要和场地规划，在模拟月壤水平区和坡道区随机分布，以用于验证巡视器的越坑和越障能力，综合模拟月面区主要由模拟月壤构成，包含斜面、模拟月坑以及模拟月岩的多种月面典型形貌，且随机分布。

优选地，不同粒径的火山灰的配比方式为粒径1mm以下的质量百分比为83.74～100％；粒径0.25mm以下的质量百分比为59.42～86.1％；粒径0.1mm以下的质量百分比为39.38～70.97％；粒径0.075mm以下的质量百分比为32.89～64.3％；粒径0.01mm以下的质量百分比为0～15.83％(图1所示)。

其中，月面重力模拟子系统，包括支撑架、二维跟踪平台、悬吊平台、以及地面监控系统，支撑架滑动设置在墙体上，支撑架下方的导轨安装面上设置有二维跟踪平台，二维跟踪平台通过导轨、X，Y向的驱动电机装置以及滚珠丝杠的配合能够在二维水平面内沿X向和Y向滑动，二维跟踪平台下方固定有悬吊平台，悬吊平台上设置有吊索收放装置，吊索上端卷绕在吊索收放装置中，下端固定连接在一方形吊板上，吊板上的吊点位置对应于月球巡视器的质心位置，吊板四个角上分别吊设有等长的四根分枝吊索以连接月球巡视器，地面监控系统对各机械结构的机械运动以及月球巡视器的姿态进行控制和监测。

其中，上述支撑架为改造后的天车。

进一步地，二维跟踪平台上还设置有CCD相机。

进一步地，X向和Y向的滑动均受到限位开关的限制。

进一步地，巡视器上设置有靶标。

其中，光照模拟分系统由多个单灯组件组成灯阵系统，灯阵系统通过主支撑结构固定在场地单侧墙壁上，集中控制系统控制灯阵的开光，在地面上通过叠加补偿形成均匀的照射面积。灯阵的主体结构高14.8m，宽23.6m，共分为10排灯具阵列，由147套大功率金卤灯和36套卤钨灯组成，共十横排灯具，总功率为354.5kw。为了满足辐照度，均匀性和功率要求，利用专业照明仿真软件进行建模分析，得到灯阵的布局排列如附图4所示。为达到更好的照明均匀度，同时减少下一排灯具对上一排灯具灯光的遮挡，灯阵钢结构支架整体倾斜安装，倾斜角度为9度。

进一步地，光照模拟分系统在地面形成模拟太阳光谱的20m×20m的均匀照明面积，辐照不均匀度优于±15％，垂直照明方向辐照度达到0.3个太阳常数，能够模拟太阳光高度角15°～45°的角度变化。

进一步地，红外补偿灯阵与主灯阵安装在一个支架上，一起实现角度调节。

进一步地，光照模拟分系统主要包括灯具阵列、灯阵旋转结构、供电系统和通风散热系统。

进一步地，灯具阵列采用反方向安装方式，高度角30°照明时，有效照明区域为20m×20m；高度角45°照明时，有效照明区域为10m×20m；高度角15°照明时，只需要开启部分灯具，有效照明区域为16m×20m。

本发明的月面巡视器地面行走试验系统，已成功应用于巡视器的地面试验，配合完成移动性能、自主导航、路径规划、着陆器与巡视器的联合试验等多项试验任务，各项技术指标满足试验需求，为全面充分考核巡视器行走能力提供了条件。

附图说明

图1为真实月壤粒径统计分布曲线，本发明中各种模拟月壤的粒径级配曲线需落在该图中两条线之间。

图2为本发明的月面巡视器地面的行走试验系统中使用的月壤月貌模拟子系统示意图。

图3为本发明的月面巡视器地面的行走试验系统中使用的月面重力模拟系统的示意图。

图4为本发明的月面巡视器地面的行走试验系统中使用的光照模拟系统的灯具布局图。

图5为本发明的月面巡视器地面的行走试验系统中使用的光照模拟系统的灯具钢结构支架立面和侧立面示意图。

1-工字钢与墙体连接处；2-支架整体倾斜9度；3-人工维修平台；4-横向工字梁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的月面巡视器地面的行走试验系统作进一步的说明。

本发明的月面巡视器地面的行走试验系统，包括月球表面的月壤月貌模拟子系统、月面重力模拟分系统以及光照模拟分系统及配套试验设施，其中，月壤月貌模拟分系统用来对月表、月海/月陆区域的月壤环境进行模拟；月面重力模拟系统在地面精确复现月球重力环境中巡视器的轮地受力情况，满足巡视器地面行走试验的需求；光照模拟系统模拟着陆区域的月表光照环境；其中，配套试验设施主要包括场地监控设备、调度电话、水、电的条件保障设施。

本发明的月面巡视器地面的行走试验系统中的月壤月貌模拟子系统，如图2所示，本发明一实施方式的用于月面巡视器地面行走试验的月壤月貌模拟系统，整个系统由东侧半径15m的半圆形区域和西侧15m×30m的矩形区域组成，系统中模拟月壤的平均厚度为0.5m。东侧半圆形区域中由北向南依次分布由模拟月壤2构建的8m宽，6.5m长的8°坡，7m宽，6.5m长的15°坡和5m宽，5m长的20°坡3个模拟月壤坡道区；西侧由北向南7m宽的区域为模拟月壤2水平区；南侧由西向东依次分布3m宽，7m长的模拟1水平区，3m宽，7m长的模拟月壤3水平区和3m宽，6m长的模拟月壤4水平区；中心20m×20m为模拟月壤2构建的综合模拟月面区；模拟月坑和模拟月岩随机分布在水平区，坡道区和综合模拟月面区，其中，模拟月壤水平区用于研究巡视器在不同性能指标的模拟月壤上的行走能力；模拟月壤坡道区内用于研究巡视器在不同坡度上的行走能力；模拟月坑和月岩用于验证巡视器的越坑和越障能力，综合模拟月面区主要由模拟月壤构成，包含斜面、模拟月坑以及模拟月岩的多种月面典型形貌，且随机分布。

用于构建本发明实施方式之一的月面巡视器地面行走试验的月壤月貌模拟系统的构造方法，主要包括以下步骤：

1)模拟月壤的制备

采用同质材料火山灰，进行烘干、机械粉碎，筛分，并根据不同月面模拟区域对模拟月壤的要求按不同比例来混配不同粒径的火山灰颗粒，其中粒径级配是主要的控制参数以符合月壤的真实性能；

2)月壤月貌模拟系统的构建

按照巡视器着陆区附近的月面形貌的整体布局要求，分别构建模拟月壤水平区、模拟月壤坡道区、模拟月坑，模拟月岩以及综合模拟月面区，这些区域均采用模拟真实月壤力学性能的模拟月壤来构建，构建步骤包括初始铺装、逐层压实、基本形貌整备、表层整备、模拟月面整备和表面修饰，从而形成月壤月貌模拟系统。

以图2所示的月壤月貌模拟系统为例，该系统中采用了4种模拟月壤，其中模拟月壤1，模拟月壤2，模拟月壤3和模拟月壤4用于构建模拟月壤水平区和模拟月坑；模拟月壤2同时用于构建模拟月壤坡道区和综合模拟月面区；并采用模拟月壤2同质的火山灰材料构建模拟月岩。

模拟月壤的制备：以模拟月壤2为例，按照1mm以下100％，0.25mm以下93.6％，0.1mm以下62.4％，0.075mm以下56.1％，0.01mm以下10％的粒径级配设计方案，对同质材料火山灰(火山灰)按照烘干、机械粉碎和筛分，混合和检测从而完成模拟月壤2的制备，制备后的模拟月壤2随机抽样的均匀性结果与设计值误差小于9％。

系统的构建：以图2所示系统为例，根据设计方案，按照预期位置将模拟月壤1～4号分别按照初始铺装、逐层压实(三层铺装压实)、基本形貌整备(基本几何尺寸的确定)、表层整备(翻松、刮平)、模拟月面整备(月坑构造和月岩埋放)和表面修饰依次完成各模拟月壤区域的构建，构建好的月壤月貌模拟系统随机抽样的容重相对误差小于10％。

如图3所示，本发明的月面巡视器地面的行走试验系统中的月面重力模拟系统，包括二维支撑架、二维跟踪平台、位姿监控系统、恒拉力机构、相似吊架以及地面监控系统，二维支撑架在设置于墙体上的导轨X向滑动，二维支撑架下方有一相对于二维支撑架轴向(Y向)滑动的小车，小车下悬挂有二维跟踪平台，二维跟踪平台通过导轨、X，Y向的驱动电机装置以及滚珠丝杠的配合能够在二维水平面内沿X向和Y向滑动，二维跟踪平台下方固定有位姿监控系统及恒拉力机构，位姿监控系统主要由相机及固定在月面巡视器上的标志点组成，相机实时捕捉标志点的位置变化计算出月面巡视器的位移及姿态变化，即通过月球巡视器的质心与光学标志点之间的空间位置关系确定月球巡视器质心在相机坐标系的空间坐标，再根据悬吊点在相机坐标系的位置计算出月球巡视器质心相对于悬吊点的位置；吊索上端为给月球巡视车施加一定重力补偿力的恒拉力机构，下端固定连接有一相似吊架，恒拉力机构主要由单根吊索、吊索收放装置、拉力传感器及索力控制系统组成，索力控制系统根据拉力传感器反馈的单根吊索上拉力的数值控制收放装置收紧或放松吊索，实时保证吊索上的拉力恒定；地面监控系统根据位姿监控系统计算出的月球巡视器质心相对于悬吊点的位置量控制二维支撑架及二维跟踪平台在水平面内的机械运动，使吊索始终保持垂直以保证二维随动平台精确跟随月面巡视器的运动。

如图4所示，本发明的月面巡视器地面的行走试验系统中使用的光照模拟系统，其中，该光照模拟系统主要包括灯具阵列、灯阵旋转结构、供电系统和通风散热系统。灯具阵列的主光源采用1800w和2000w两种功率的大功率双端金属卤化物灯，红外线补充光源500w和1500w两种功率的双端卤钨灯及配套灯具，灯阵采用183套照明灯具，总功率为354.5kW，其中主灯阵照明147套，红外线补充照明采用36套。灯阵设置在场地单侧墙面上。为了满足辐照度，均匀性和功率要求，利用专业照明仿真软件进行建模分析，得到灯阵的布局排列如附图4所示。红色，蓝色，灰色灯具为主灯阵部分，红色椭圆形灯具代表403 A1 2000w 93套，蓝色椭圆形灯具代表403 A3 2000w42套，灰色椭圆形灯具代表403 A1 1800w 12套；粉色，绿色灯具为红外线补充灯阵部分，粉红色方形灯具代表QVF139 1500w 22套，绿色方形灯具代表QVF135 500w 14套。

如附图5所示，灯阵采用了高14.82米，宽23.56米的钢结构支架，主体结构使用6根工字钢作为支撑柱增强抗变形能力，横梁为十排，每排间距为1.2米(最顶排间距1米)。为了达到更好的照明均匀度，同时减少下一排灯具对上一排灯具灯光的遮挡，我们采用灯阵整体倾斜的安装方法，钢结构整体从3.1米处向右倾斜，倾斜角度为9度。钢结构与墙体采用螺栓连接，每根工字钢柱都连接到墙体，灯阵侧面设置人工安装维修平台。横向工字钢梁安装在立柱的外侧，灯轴支架安装在横向工字钢梁上。

由于需要对不同角度的光照进行模拟，因此，设计了灯阵旋转驱动系统，自动控制灯具的旋转以达到角度变化的目的。

灯阵的供电配电柜分成两组，分别为380v供电和220v供电。

由于灯阵所用的照明灯具是室外型的，对环境的通风有一定的要求，因此，为了更好的让灯具在较好的环境下工作，灯阵的通风我们设计了两组进风风管和四组排风风管。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种月球巡视器地面的行走试验系统，包括月球表面的月壤月貌模拟子系统、月面重力模拟分系统以及光照模拟分系统及配套试验设施，其中，月壤月貌模拟子系统用来对月表、月海/月陆区域的月壤环境进行模拟；月面重力模拟分系统在地面精确复现月球重力环境中巡视器的轮地受力情况，满足巡视器地面行走试验的需求；光照模拟分系统模拟着陆区域的月表光照环境,月壤月貌模拟子系统包括模拟月壤水平区、模拟月壤坡道区、模拟月坑、模拟月岩以及综合模拟月面区，这些区域均采用模拟真实月壤力学性能的模拟月壤来构建，模拟月壤水平区内包含至少两种以上的模拟月壤，以用于研究巡视器在不同性能指标的模拟月壤上的行走能力；模拟月壤坡道区内包含至少两种角度以上的坡度，以用于研究巡视器在不同坡度上的行走能力；模拟月坑和月岩根据试验需要和场地规划，在模拟月壤水平区和坡道区随机分布，以用于验证巡视器的越坑和越障能力，综合模拟月面区主要由模拟月壤构成，包含斜面、模拟月坑以及模拟月岩的多种月面典型形貌，且随机分布,月面重力模拟分系统包括二维支撑架、二维跟踪平台、位姿监控系统、恒拉力机构、相似吊架以及地面监控系统，二维支撑架在设置于墙体上的导轨X向滑动，二维支撑架下方有一相对于二维支撑架轴向(Y向)滑动的小车，小车下悬挂有二维跟踪平台，二维跟踪平台通过导轨、X，Y向的驱动电机装置以及滚珠丝杠的配合能够在二维水平面内沿X向和Y向滑动，二维跟踪平台下方固定有位姿监控系统及恒拉力机构，位姿监控系统主要由相机及固定在月球巡视器上的标志点组成，相机实时捕捉标志点的位置变化计算出月球巡视器的位移及姿态变化，即通过月球巡视器的质心与光学标志点之间的空间位置关系确定月球巡视器质心在相机坐标系的空间坐标，再根据悬吊点在相机坐标系的位置计算出月球巡视器质心相对于悬吊点的位置；吊索上端为给月球巡视器施加一定重力补偿力的恒拉力机构，下端固定连接有一相似吊架，恒拉力机构主要由收放吊索的吊索收放装置、拉力传感器及索力控制系统组成，索力控制系统根据拉力传感器反馈的单根吊索上拉力的数值控制吊索收放装置收紧或放松吊索，实时保证吊索上的拉力恒定；地面监控系统根据位姿监控系统计算出的月球巡视器质心相对于悬吊点的位置量控制二维支撑架及二维跟踪平台在水平面内的机械运动，使吊索始终保持垂直以保证二维随动平台精确跟随月球巡视器的运动。

2.如权利要求1所述的月球巡视器地面的行走试验系统，其中，配套试验设施主要包括场地监控设备、调度电话、水、电的条件保障设施。

3.如权利要求1所述的月球巡视器地面的行走试验系统，其中，各区域内的模拟月壤的平均厚度不小于30cm。

4.如权利要求1所述的月球巡视器地面的行走试验系统，其中，所述支撑架为改造后的天车。

5.如权利要求1所述的月球巡视器地面的行走试验系统，其中，二维跟踪平台上还设置有CCD相机。

6.如权利要求1所述的月球巡视器地面的行走试验系统，其中，巡视器的相似吊架上设置有靶标。

7.如权利要求1所述的月球巡视器地面的行走试验系统，其中，光照模拟分系统主要包括灯具阵列、灯阵旋转结构、供电系统和通风散热系统。

8.如权利要求7所述的月球巡视器地面的行走试验系统，其中，灯具阵列采用反方向安装方式，高度角30°照明时，有效照明区域为20m×20m；高度角45°照明时，有效照明区域为10m×20m；高度角15°照明时，只需要开启部分灯具，有效照明区域为16m×20m。