CN103350758A - 一种可调姿月球软着陆器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可调姿月球软着陆器，包括着陆器主体与均匀安装在着陆器主体周向侧壁上的缓冲腿组件，实现平稳着陆。着陆器主体内部安装有可调姿有效载荷搭载平台。可调姿有效载荷搭载平台为由上下平台与连接上下平台的5个电动推杆构成的四自由度的并联平台；5个电动推杆的机体端均安装有用来实时获取自身与上平台间的距离位移传感器；上平台上安装有用来实时获取上平台的姿态信息的双轴倾角传感器；通过控制5个电动推杆实现月球软着陆器的姿态调整。上述软着陆器主体侧壁上通过扭簧安装有用来充电的太阳能帆板，通过扭簧与着陆器主体侧壁上安装的电磁铁实现太阳能帆板展开与收回。本发明的优点为：可实现稳定着陆，能够对姿态进行调整。

Description

一种可调姿月球软着陆器

技术领域

本发明涉及一种月球软着陆器，具体来说,是一种具有可调姿搭载平台的月球软着陆器。 

背景技术

月球探测器在月球表面着陆又分为“硬着陆”和“软着陆”两种方式。“硬着陆”是指探测器高速飞向月球表面，与月表发生撞击，该种探测器虽然可以对月球进行近距离探测，但是它工作时间短，只能在与月表撞击前的短暂的时间里对月球进行探测；“软着陆”是指探测器在接近月表的过程中采用缓冲火箭等减速措施来降低探测器的着陆速度，使探测器以很低的速度在月表着陆，同时利用着陆缓冲机构来吸收着陆冲击能量，着陆后探测器可以在月球表面进行科学探测活动。软着陆探测器可以在月球表面进行长时间的探测，可以获得大量精确可靠的数据。 

月球探测的目的并不仅仅是实现软着陆，更重要的是在于对月面环境进行一系列科学探测。如何保证着陆器搭载的有效载荷能够正常工作，尤其是某些有效载荷（如摄像机、通信天线、月球车等）对工作姿态有特殊要求。 

目前，国内已知的月球软着陆器实物是哈尔滨工业大学宇航空间机构及控制中心设计的三腿微小型着陆器样机和四腿大型着陆器样机，三腿微小型着陆器样机中，月球车被安装在弹性支撑板上，弹性支撑板通过铰链和三对均匀分布的主、副减振腿相连接。着陆时着陆器所受冲击力集中在三个球形着陆脚上，通过刚性着陆脚和活塞杆传递到主、副减振腿内缓冲介质上，利用弹性振动的阻尼损耗或金属塑性变形的功耗来达到减振的目的。 

这种设计能够起到缓冲减振的作用，但由于着陆时无法保证地面是平地，当着陆在斜坡或凹凸不平的地面时，着陆器的姿态将无法控制，不利于进行后续的探测工作。由于是微小型着陆器，也很难搭载有效载荷。另外，相对四腿式软着陆机构而言,三腿式软着陆机构系统冗余小，但可靠性略低。 

四腿大型着陆器结构中，着陆器由着陆腿和着陆器基体两部分组成。着陆腿由安装有缓冲吸振器的主着陆腿、辅助着陆腿和着陆足垫组成。缓冲吸振器采用活塞式结构，内装缓冲吸振材料(铝蜂窝),着陆时主着陆腿可作单向收缩运动以吸收竖直方向的冲击能量；辅助着陆腿可作双向(收缩和伸长)运动，用于适应不同的着陆姿态，并吸收来自横向的冲击能量;着陆足垫主要用来增大着陆接触面积，使得着陆瞬时的冲击力趋于平稳.着陆器基体采用空间桁架结构。着陆器着陆腿只能在基体所在六面体的纵向对角面内运动。当着陆脚点和着陆器质心位置满足一定关系时，着陆器是稳定的，反之，着陆器则可能翻倒，导致着陆任务失败。 

这种结构主要是解决着陆后的姿态稳定问题，但仍然没有考虑有效载荷的姿态调整与控制问题。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种具有可调姿搭载平台的月球软着陆器。软着陆冲击能量的吸收、有效载荷平台姿态的调整、太阳帆板的固定与展开等。 

一种可调姿月球软着陆器，包括着陆器主体与缓冲腿组件；着陆器主体为盒体结构，底 面封闭，内部安装有可调姿有效载荷搭载平台，并且用来容纳载荷；缓冲腿组件2为4套，均匀安装在着陆器主体周向侧壁上。 

上述每套缓冲腿组件均由足垫、主缓冲支撑腿与两套辅助缓冲腿构成；其中，主缓冲支撑腿包括上支杆与下支杆两部分；下支杆滑动安装在上支杆内部，上支杆的铰接端通过与固定安装在着陆器主体周向侧壁上的连接座铰接；下支杆的铰接端与足垫铰接。 

两套辅助缓冲腿均由连杆A与连杆B构成；其中，连杆B滑动安装在连杆A内部；两套辅助缓冲腿中的连杆B均与固定安装在主缓冲支撑腿的上支杆中部外壁上的连接座铰接；连杆A均铰接在着陆器主体外侧壁上固定安装的连接座上。 

所述可调姿有效载荷搭载平台包括上平台、下平台与执行机构；上平台与下平台均为方形框架结构；下平台的下表面与着陆器主体底面固定；上平台与下平台间通过执行机构相连；执行机构由5个电动推杆构成，分别令其为第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆、第四电动推杆、第五电动推杆；其中，第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆、第四电动推杆的推杆端通过万向节分别与上平台四角处相连，机体端分别与下平台四角处相连；第五电动推杆的推杆端通过万向节与上平台上的连接梁相连，连接处位于上平台中心位置；第五电动推杆的机体端与下平台上的连接梁相连，连接处位于下平台中心位置；上述5个电动推杆的机体端均安装有位移传感器，用来实时获取自身与上平台间的距离d；上平台上安装有双轴倾角传感器，用来实时获取上平台的姿态信息。 

本发明的优点在于： 

1、本发明可调姿月球软着陆器，能够对姿态进行调整，满足搭载的有效载荷的工作条件； 

2、本发明可调姿月球软着陆器，可实现稳定着陆； 

3、本发明可调姿月球软着陆器，能够通过自动展开折叠太阳能帆板，为电源充电，具备可持续的动力。 

附图说明

图1是本发明可调姿月球软着陆器整体结构示意图； 

图2是本发明可调姿月球软着陆器中缓冲腿组件结构示意图； 

图3是本发明可调姿月球软着陆器中可调姿有效载荷搭载平台结构示意图。 

图中： 

1-着陆器主体          2-缓冲腿组件        3-可调姿有效载荷搭载平台 

4-太阳能帆板展开机构  201-足垫            202-主缓冲支撑腿 

203-辅助缓冲腿        202a-上支杆         202b-下支杆 

203a-连杆A            203b-连杆B          301-上平台 

302-下平台            303-执行机构        304-位移传感器 

305-双轴倾角传感器    303a-第一电动推杆   303b-第二电动推杆 

303c-第三电动推杆     303d-第四电动推杆   303e-第五电动推杆 

401-太阳能帆板        402-电磁铁 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出进一步说明。 

本发明月球软着陆器，如图1所示，包括着陆器主体1与缓冲腿组件2；着陆器主体1为盒体结构，底面封闭，内部安装有如图3所示的可调姿有效载荷搭载平台3，并且用来容纳载荷。缓冲腿组件24套，均匀安装在着陆器主体1周向侧壁上。 

上述每套缓冲腿组件2均由足垫201、主缓冲支撑腿202与两套辅助缓冲腿203构成，如图2所示，其中，主缓冲支撑腿202包括上支杆202a与下支杆202b两部分。上支杆202a采用铝合金材料，内部填充有蜂窝缓冲结构。下支杆202b为实心杆，同轴滑动安装在上支杆202a内部，且下支杆202b伸入上支杆202a的一端端面与上支杆202a内部的蜂窝缓冲结构接触。上支杆202a的铰接端通过铰链与固定安装在着陆器主体1周向侧壁上的连接座铰接；下支杆202b的铰接端通过铰链与足垫201铰接。由此，实现月球软着陆器落地时，下支杆202b会在上支杆202a内滑动，破坏蜂窝缓冲结构，实现月球软着陆器落地时的缓冲作用。 

两套辅助缓冲腿203均由连杆A203a与连杆B203b构成；其中，连杆A203a为空心杆、连杆B203b为实心杆；连杆B203b同轴滑动安装在连杆A203a内部，可在连杆A203a轴向上滑动。两套辅助缓冲腿203中的连杆B203b均与固定安装在主缓冲支撑腿202的上支杆202a中部外壁上的连接座通过铰链铰接；连杆A203a均通过铰链铰接在着陆器主体1外侧壁上固定安装的连接座上，由此实现两套辅助缓冲腿203的安装，安装后两套辅助缓冲腿203间形成V字构型。上述连杆B203b内部设置有弹簧，位于连杆A203a伸入连杆B203b的一端端面与连杆B203b连接着陆器主体1的一端端面之间，弹簧弹力方向在连杆A203a的轴向上。 

所述可调姿有效载荷搭载平台3为一四自由度的并联平台，包括上平台301、下平台302与执行机构303；上平台301与下平台302均为方形框架结构，上平台301的上表面用来设置载荷；下平台302的下表面用来与着陆器主体1底面固定；上平台301与下平台302间通过执行机构303相连。执行机构303由5个电动推杆构成，分别令其为第一电动推杆303a、第二电动推杆303b、第三电动推杆303c、第四电动推杆303d、第五电动推杆303e；其中，第一电动推杆303a、第二电动推杆303b、第三电动推杆303c、第四电动推杆303d的推杆端通过万向节分别与上平台301四角处相连，机体端分别与下平台302四角处相连；第五电动推杆303e的推杆端通过万向节与上平台301上的连接梁相连，连接处位于上平台301中心位置；第五电动推杆303e的机体端与下平台302上的连接梁相连，连接处位于下平台302中心位置。上述5个电动推杆的机体端均安装有位移传感器304，位移传感器304的测量方向与其所在电动推杆轴线平行，且朝向上平台301，用来实时获取自身与上平台301间的距离d；上平台301上安装有双轴倾角传感器305，用来实时获取上平台301的姿态信息；双轴倾角传感器305的两个测量轴分别于上平台301的两条对角线平行，由此在忽略运动之间的耦合时，整个上平台301的俯仰和滚转方向的任意方式的运动都可以分解为两个单自由度上的运动，此处，每个自由度均是指位于上平台301对角线上的两个电动推杆同时进行的运动。 

由此通过安装在着陆器主体1内部的主控板对可调姿有效载荷搭载平台中各个电动推杆进行控制，实现月球软着陆器着陆过程中，上平台301俯仰、滚转、偏航、以及上下方向的升降，具体为： 

当月球软着陆器不需要进行姿态调整时，控制板控制5根电动推杆的推杆端均收缩至具有相等的较小行程，此时可调姿有效载荷搭载平台3的上平台301与下平台302平行，上平台301处于零位状态；本发明中选择5根电动推杆的推杆端均处于最小行程时，作为上平台301的零位状态，由此能够尽可能使月球软着陆器整体结构紧凑，保证着陆过程中的安全性。 

当月球软着陆器需要进行姿态调整时，则通过下述步骤实现： 

步骤1：通过控制板控制5根电动推杆的推杆端伸长相等行程，此时上平台301与零位状态时的上平台301平行，此时上平台301处于中位状态；本发明中选择5跟电动推杆的推杆端伸长至有效行程的一半时，作为上平台301的中位状态，此时使能够保证上平台301可灵活地进行各种姿态调整。 

步骤2：控制板根据月球软着陆器所需调整的姿态信息，并结合接收到的双轴倾角传感器305获取的上平台的姿态信息、可调姿有效载荷搭载平台3的运动学方程（即各个电动推杆的行程与上平台301姿态信息间的对应关系方程）以及可调姿有效载荷搭载平台3整体的尺寸信息，解算得到月球软着陆器若要达到所需调整的姿态时，处于中位状态的第一电动推杆303a、第二电动推杆303b、第三电动推杆303c、第四电动推杆303d、第五电动推杆303e的推杆端所需要伸长或缩短的行程L； 

步骤3：控制板采用反馈控制，通过各个电动推杆上的位移传感器304实时获取的自身与上平台301间的距离d，解算得到第一电动推杆303a、第二电动推杆303b、第三电动推杆303c、第四电动推杆303d、第五电动推杆303e的推杆端当前时刻的行程L1；由此通过L减去L1得到月球软着陆器达到所需调整的姿态时，第一电动推杆303a、第二电动推杆303b、第三电动推杆303c、第四电动推杆303d、第五电动推杆303e的推杆端所具有的行程L2； 

步骤4：控制系统根据步骤3得到的月球软着陆器达到所需调整的姿态时，第一电动推杆303a、第二电动推杆303b、第三电动推杆303c、第四电动推杆303d、第五电动推杆303e的推杆端所具有行程L2，先对位于上平台301一个对角位置的两个电动推杆进行相应运动的控制，再对另一个对角位置的两个电动推杆进行相应运动的控制，实现对月球软着陆器的姿态调整。 

如图1所示，本发明月球软着陆器还具有采用主动展开，被动折叠方式连接在着陆器主体1上的太阳能帆板展开机构4，共两套分别对称安装于着陆器主体1的侧壁上。太阳能帆板展开机构4包括太阳能帆板401与电磁铁402；其中，太阳能帆板401通过扭簧安装在着陆器主体1外侧壁上，通过扭簧的力矩可使太阳能帆板401自动展开。太阳能帆板401与安装在着陆器主体1内部，为主控板与各个电动推杆供电的电源相连；太阳能帆板401用来为电源充电。电磁铁402固定安装在着陆器主体1侧壁上，与电源相连，使电源可为电磁铁402供电；当电磁铁402通电后所产生的磁性，可使太阳能帆板401克服扭簧的力矩，吸附于着陆器主体1外壁上；由此可以保证在初期阶段，电源电力充足时，使得太阳能帆板401良好地吸附于月球软着陆器主体1外侧壁上，保证太阳能帆板401的安全；而在后期阶段，电源的电力少于初期阶段时，电磁铁402磁性减弱，此时通过扭簧使太阳能帆板401处于展开状态，对电源进行充电，实现电源电力的保证。 

Claims (9)

1.一种可调姿月球软着陆器，其特征在于：包括着陆器主体与缓冲腿组件；着陆器主体为盒体结构，底面封闭，内部安装有可调姿有效载荷搭载平台，并且用来容纳载荷；缓冲腿组件2为4套，均匀安装在着陆器主体周向侧壁上；

上述每套缓冲腿组件均由足垫、主缓冲支撑腿与两套辅助缓冲腿构成；其中，主缓冲支撑腿包括上支杆与下支杆两部分；下支杆滑动安装在上支杆内部，上支杆的铰接端通过与固定安装在着陆器主体周向侧壁上的连接座铰接；下支杆的铰接端与足垫铰接；

两套辅助缓冲腿均由连杆A与连杆B构成；其中，连杆B滑动安装在连杆A内部；两套辅助缓冲腿中的连杆B均与固定安装在主缓冲支撑腿的上支杆中部外壁上的连接座铰接；连杆A均铰接在着陆器主体外侧壁上固定安装的连接座上；

所述可调姿有效载荷搭载平台包括上平台、下平台与执行机构；上平台与下平台均为方形框架结构；下平台的下表面与着陆器主体底面固定；上平台与下平台间通过执行机构相连；执行机构由5个电动推杆构成，分别令其为第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆、第四电动推杆、第五电动推杆；其中，第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆、第四电动推杆的推杆端通过万向节分别与上平台四角处相连，机体端分别与下平台四角处相连；第五电动推杆的推杆端通过万向节与上平台上的连接梁相连，连接处位于上平台中心位置；第五电动推杆的机体端与下平台上的连接梁相连，连接处位于下平台中心位置；上述5个电动推杆的机体端均安装有位移传感器，用来实时获取自身与上平台间的距离d；上平台上安装有双轴倾角传感器，用来实时获取上平台的姿态信息。

2.如权利要求1所述一种可调姿月球软着陆器，其特征在于：还包括连接在着陆器主体上的太阳能帆板展开机构，对称安装于着陆器主体的侧壁上；太阳能帆板展开机构包括太阳能帆板与电磁铁；其中，太阳能帆板通过扭簧安装在着陆器主体外侧壁上，通过扭簧的力矩可使太阳能帆板自动展开；太阳能帆板与安装在着陆器主体内部，为主控板与各个电动推杆供电的电源相连；太阳能帆板用来为电源充电；电磁铁固定安装在着陆器主体侧壁上，与电源相连，使电源可为电磁铁供电；电磁铁通电后所产生的磁性，可使太阳能帆板吸附于着陆器主体外壁上。

3.如权利要求1所述一种可调姿月球软着陆器，其特征在于：所述上支杆采用铝合金材料。

4.如权利要求1所述一种可调姿月球软着陆器，其特征在于：所述上支杆内部填充有蜂窝缓冲结构。

5.如权利要求1所述一种可调姿月球软着陆器，其特征在于：所述连杆B内部设置有弹簧，位于连杆A伸入连杆B的一端端面与连杆B连接着陆器主体的一端端面之间，弹簧弹力方向在连杆A的轴向上。

6.如权利要求1所述一种可调姿月球软着陆器，其特征在于：所述位移传感器的测量方向与其所在电动推杆轴线平行，且朝向上平台。

7.如权利要求1所述一种可调姿月球软着陆器，其特征在于：所述双轴倾角传感器的两个测量轴分别于上平台的两条对角线平行。

8.如权利要求1所述一种可调姿月球软着陆器，其特征在于：当进行姿态调整时，控制板控制5根电动推杆的推杆端均处于最小行程，作为上平台的零位状态。

9.当进行姿态调整时，则通过下述步骤实现：

步骤1：通过控制板控制5根电动推杆的推杆端伸长至有效行程的一半，作为上平台的中位状态；

步骤2：控制板根据月球软着陆器所需调整的姿态信息，并结合接收到的双轴倾角传感器获取的上平台的姿态信息、可调姿有效载荷搭载平台的运动学方程以及可调姿有效载荷搭载平台整体的尺寸信息，得到月球软着陆器若要达到所需调整的姿态时，处于中位状态的第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆、第四电动推杆、第五电动推杆的推杆端所需要伸长或缩短的行程L；

步骤3：控制板采用反馈控制，通过各个电动推杆上的位移传感器实时获取的自身与上平台间的距离d，得到第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆、第四电动推杆、第五电动推杆的推杆端当前时刻的行程L1；通过L减去L1得到月球软着陆器达到所需调整的姿态时，第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆、第四电动推杆、第五电动推杆的推杆端所具有的行程L2；

步骤4：控制系统根据步骤3得到的月球软着陆器达到所需调整的姿态时，第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆、第四电动推杆、第五电动推杆的推杆端各个电动推杆所具有行程L2，先对位于上平台一个对角位置的两个电动推杆进行相应运动的控制，再对另一个对角位置的两个电动推杆进行相应运动的控制，实现对月球软着陆器的姿态调整。

Images