CN110132519B - 一种接触面带有粘附材料的碰撞吸附情况确定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于粘附材料的碰撞吸附动力学建模的碰撞吸附情况确定方法，利用牛顿‑欧拉法，建立不考虑系统内部作用力具体形式的两体碰撞系统运动模型；根据阻尼连接机构的形式及安装位置，建立缓冲阻尼机构力学模型；根据两体碰撞的接触面的形式，建立系统碰撞力学模型；根据两体碰撞系统中主动体的接触面带有的粘附材料，建立系统粘附力学模型；最后建立完整的接触面带有粘附材料的碰撞吸附缓冲动力学模型；根据步骤(5)建立的完整的接触面带有粘附材料的碰撞吸附缓冲动力学模型，计算碰撞后的运动状态及粘附力情况，判断主动体与被动体间是否建立可靠连接，进而判断主动体是否实现对被动体的捕获。

Description

一种接触面带有粘附材料的碰撞吸附情况确定方法

技术领域

本发明涉及一种接触面带有粘附材料的碰撞吸附情况确定方法，属于航空航天碰撞技术领域。

背景技术

现有技术中，仿生粘附材料提供足够吸附力的前提是要有足够的预压力，而通过两体碰撞的碰撞力提供预压力是最简单直接的方式。但在空间中，在轨运行的两体处于高速运动且失重状态，当碰撞相对速度或阻尼阻尼机构设计不合理时，极有可能发生两体碰撞后弹开，粘附机构无法实现对目标可靠捕获的情况，因此需要建立合理的动力学模型，分析接触碰撞过程中的碰撞力、缓冲阻尼力以及粘附力，进而设计合理的碰撞速度以及缓冲阻尼参数。

目前对于空间多体碰撞动力学已有些初步研究，研究基本围绕机械臂、手爪以及锥杆等空间捕获机构等应用展开，接触碰撞面上仅有碰撞过程的缓冲力和阻尼力。而对于碰撞面上带有仿生粘附材料的碰撞动力学，还没有相关研究。考虑仿生材料粘附特性后，碰撞问题从近似的单弹簧振子演变为串联但中间不固联的双弹簧振子，问题变得更加复杂。而在仿生粘附材料力学特性方向，目前的研究成果仅限于知道其输入和输出，即在准静态加载后准静态卸载所得到的预压力和粘附力关系曲线，对于粘附材料变形中间过程的力学特性还没有相关研究，而这种力学特性对于碰撞问题来说是必不可少的，因为正是仿生材料的粘附力、碰撞反弹力以及阻尼机构的缓冲阻尼力的相互较量续果决定了着陆效果是可靠着陆还是着陆后又反弹。

综上所述，仿生粘附材料在碰撞过程中的力学形为尚缺乏相关研究，导致接触面带有粘附材料的这类碰撞存在碰撞过程作用力无法准确确定的问题，从而无法判断是否实现可靠吸附捕获，吸附捕获方案的可行性验证及完善只能借助实际试验进行，时间和成本代价均比较高。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种接触面带有粘附材料的碰撞吸附情况确定方法(即一种基于粘附材料的碰撞吸附动力学建模的碰撞吸附情况确定方法)，解决了带有粘附材料的着陆机构对目标碰撞吸附过程作用力无法准确确定的问题，为通过数学仿真手段验证捕获可靠性奠定了基础。

本发明解决的技术方案为：一种接触面带有粘附材料的碰撞吸附情况确定方法(即一种基于粘附材料的碰撞吸附动力学建模的碰撞吸附情况确定方法)，步骤如下：

(1)利用牛顿-欧拉法，建立不考虑碰撞过程作用力具体形式的两体碰撞系统运动模型；

(2)根据阻尼连接机构的形式及安装位置，建立缓冲阻尼机构力学模型；

(3)根据两体碰撞的接触面的形式，建立系统碰撞力学模型；

(4)根据两体碰撞系统中主动体的接触面带有的粘附材料，建立系统粘附力学模型；

(5)将步骤(2)、(3)和(4)分别建立的缓冲阻尼机构力学模型、系统碰撞力学模型以及系统粘附力学模型代入步骤(1)中，建立完整的接触面带有粘附材料的碰撞吸附缓冲动力学模型；

(6)根据步骤(5)建立的完整的接触面带有粘附材料的碰撞吸附缓冲动力学模型，确定带有粘附材料的主动体对被动体的碰撞后的运动状态及粘附力情况。

两体碰撞系统，包括主动体和被动体。

主动体，包括主动飞行器本体以及用于吸附捕获的着陆机构，两者通过缓冲阻尼机构连接。

被动体，即为目标飞行器本体。

两体碰撞系统运动模型，具体参数包括：主动体中主动飞行器本体位姿，着陆机构位姿以及缓冲阻尼机构安装参数、刚度系数、阻尼系数；被动体与着陆机构贴有粘附材料层的表面接触碰撞时的刚度系数、阻尼系数、粘附材料粘附力随预压力的变化系数以及粘附力随粘附材料两端面位置的变化系数。

碰撞过程作用力，具体为：粘附材料法向/切向粘附力、碰撞力以及缓冲机构缓冲阻尼力。

阻尼连接机构的形式及安装位置，具体为阻尼机构为阻尼杆式机构，安装于主动体着陆机构与飞行器本体之间。

两体碰撞的接触面的形式，具体为：主动体上着陆机构的着陆面较小，与目标视为点面接触。

还包括(7)，根据步骤(6)确定的带有粘附材料的主动体对被动体的碰撞后的运动状态及粘附力情况，从而判断主动体与被动体间是否建立可靠连接，若建立可靠连接则判定主动体实现对被动体的捕获。

两体碰撞具体为主动体和被动体碰撞。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明拓展了空间两体碰撞缓中动力学方面的研究，基于赫兹弹性接触理论和仿生粘附材料的力学特性，建立了一种接触面带有粘附材料的碰撞吸附动力学模型，填补了碰撞动力学在该方向的研究空白。

(2)本发明提出的碰撞过程作用力的确定方法中，各作用力界线清晰、模型准确可靠且计算量小，可对碰撞过程的各作用力的大小进行快速准确确定。本发明不仅可以为系统的动力学仿真与分析提供依据，更重要的是可以为着陆吸附机构尤其是碰撞缓冲机构的设计、优化提供基础。

(3)本发明对吸附材料粘脱附力的处理方法可拓展应用到各种仿壁虎爬行机器人的爬行建模与控制，具有广泛的应用前景。

(4)本发明针对此问题，借鉴粘弹性材料的力学形为特点，建立了动载荷作用下粘附材料的力学形为模型，提高了碰撞过程作用力的确定精度，为通过数学仿真手段验证捕获可靠性奠定了基础。

附图说明

图1为接触面带有粘附材料的碰撞缓冲系统构型示意图；

图2为接触面带有粘附材料的碰撞缓冲系统坐标系定义示意图；

图3为接触面带有粘附材料的碰撞缓冲系统各位置矢量关系示意图；

图4为系统中阻尼连接杆及相关矢量示意图；

图5为系统中刚性连接杆及相关矢量示意图；

图6为粘附材料法向粘附强度与施载预压力关系示意图；

图7为粘附材料损伤演化模型示意图；

图8为碰撞试验系统示意图；

图9为碰撞试验碰撞力采集图；

图10为本发明所建模型的理论碰撞力仿真图；

图11为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种基于粘附材料的碰撞吸附动力学建模的碰撞吸附情况确定方法，利用牛顿-欧拉法，建立不考虑系统内部作用力具体形式的两体碰撞系统运动模型；根据阻尼连接机构的形式及安装位置，建立缓冲阻尼机构力学模型；根据两体碰撞的接触面的形式，建立系统碰撞力学模型；根据两体碰撞系统中主动体的接触面带有的粘附材料，建立系统粘附力学模型；最后建立完整的接触面带有粘附材料的碰撞吸附缓冲动力学模型；根据步骤(5)建立的完整的接触面带有粘附材料的碰撞吸附缓冲动力学模型，计算碰撞后的运动状态及粘附力情况，判断主动体与被动体间是否建立可靠连接，进而判断主动体是否实现对被动体的捕获。

如图1所示，本发明所针对的接触面带有粘附材料的两体碰撞系统由主动动体和被动体组成，其中，主动体包括主动飞行器本体以及用于吸附捕获的着陆机构，着陆机构一端通过缓冲阻尼机构与主动飞行器连接，一端表面贴附有一薄层粘附材料。被动体为被捕获的目标飞行器。当主动体通过着陆机构对目标进行粘附捕获时，着陆机构贴附有粘附材料的表面与目标发生碰撞，碰撞时挤压产生的碰撞力作为粘附材料的预压力，使粘附材料发生变形，吸附住目标表面。

主动体中主动飞行器与着陆机构间通过缓冲阻尼机构连接，由于需要对缓冲阻尼机构力学特性进行建模，因此在不考虑缓冲阻尼机构的质量惯量特性，仅考虑其弹性阻尼特性时，将主动体中的主动飞行器与着陆机构作为两体处理，分别记为体1和体2，记被动体为体3。着陆机构根据需要优选设计成一足或多足式，本发明在不失一般性的情况下，将其优选简化成一足式的圆柱体。着陆机构着陆位置选为目标表面比较光滑平整的太阳翼表面。主动飞行器、捕获机构以及目标飞行器—该构型具有相当广泛的代表性，传统的航天器对接机构如锥杆式对接机构和周边式对接机构等都可以简化为此模型。

目前对于空间两体/多体碰撞动力学已有不少相关研究，但研究中，接触面均不带有粘附材料，接触碰撞面上仅有碰撞过程的缓冲力和阻尼力，作用力形式相对简单。仿生粘附材料具有接触即连接的特点，是一种简单可靠的两体连接形式，在空间目标捕获装置以及仿生攀爬机器人方面的应用越来越广泛。但对于此类连接方式，接触连接过程中作用力的确定目前还未有相关研究，本发明可填补此项空白，提供一种简单有效的带有粘附材料的表面与目标表面接触碰撞过程各作用力的确定方法，支撑带有此类仿生粘附材料的装置的研究应用。该方法对两接触面形状无要求，简化计算时认为整个粘附材料表面与目标表面完全接触，当接触面形状不规则时需要根据接触面的形状具体计算碰撞发生点以及粘附材料的作用面积。

本发明的具体思路如图11所示，首先分析上面所述系统碰撞过程中所存在的各种作用力，建立不考虑各作用力具体形式的碰撞动力学模型，此时各作用力的具体数值未知；然后根据运动过程中体1、体2以及体3的相对状态，判断碰撞是否发生，并建立缓冲机构缓冲阻尼力、接触面上的碰撞力及粘附材料粘附力计算模型；将得到的具体作用力代回碰撞动力学模型，计算体1、体2以及体3的相对运动状态，并判断接触碰撞的两表面是否实现可靠连接。

本发明一种基于粘附材料的碰撞吸附动力学建模的碰撞吸附情况确定方法，步骤如下：

(1)利用牛顿-欧拉法，建立不考虑碰撞过程作用力具体形式的两体碰撞系统运动模型，具体为：

(1.1)运动描述与模化

如图2，引入如下坐标系来描述各运动体的运动：

惯性坐标系S_I(O_I-X_IY_IZ_I)：原点位于惯性空间参考点，三轴X_I、Y_I和Z_I固连于惯性空间；

主动飞行器本体坐标系S₁(O₁-X₁Y₁Z₁)：原点位于飞行器质心，X₁轴过坐标原点，沿飞行器体纵轴，指向着陆机机安装端面方向为正，Z₁轴垂直于X₁轴，指向一组姿控推力器的安装点，Y₁轴与X₁轴、Z₁轴构成右手螺旋系；

着陆吸附机构本体坐标系S₂(O₂-X₂Y₂Z₂)：原点位于着陆机构质心，X₂轴过坐标原点，X₂轴指向与主动飞行器本体X₂轴指向一致，Z₂轴与主动飞行器本体Z₂轴指向一致，Y₂轴与主动飞行器本体Y₂轴指向一致；

目标飞行器本体坐标系S₃(O₃-X₃Y₃Z₃)：原点位于飞行器质心，X₃轴过飞行器质心，沿体纵轴指向飞行器飞行方向，Y₃轴过体质心，指向太阳帆板伸展方向，Z₃轴与X轴、Y轴构成右手螺旋系，且指向当地铅垂线方向；

主动飞行器整星机械坐标系S₄(O₄-X₄Y₄Z₄)：坐标原点位于分离端面中心，X₄轴过坐标原点，垂直于分离面，沿卫星的纵轴方向，指向着陆机构方向，Z₄轴位于分离面内，指向安装有姿控推力器的方向，Y₄轴位于星箭分离面内，与X₄轴、Z₄轴构成右手系。

(a)运动矢量描述

如图2，定义如下平动运动矢径：

——惯性坐标系原点到体1坐标系原点的矢径；

——惯性坐标系原点到体2坐标系原点的矢径；

——惯性坐标系原点到体3坐标系原点的矢径；

定义如下转动角速度：

——体1坐标系相对惯性系的角速度矢量；

——体2坐标系相对惯性系的角速度矢量；

——体3坐标系相对惯性系的角速度矢量；

(b)作用力及其矢径描述

如图3，定义如下作用力及其矢径：

——体1自身发动机轴向推力矢量；

——体1与体2之间的缓冲阻尼杆缓冲力矢量；

——体1与体2之间的缓冲阻尼杆阻尼力矢量；

——体2与体3之间的碰撞力矢量；

——体2与体3之间的摩擦力矢量；

——粘附材料法向吸附力矢量；

——粘附材料切向吸附力矢量；

——体1质心到轴向推力

在体1上作用点的矢径；

——体1质心到

和

在体1上作用点的矢径；

——体2质心到

和

在体2上作用点的矢径；

——体2质心到

和

在体2上作用点的矢径；

——体2质心到

和

在体2上作用点的矢径；

——体3质心到

和

在体3上作用点的矢径；

——体3质心到

和

在体3上作用点的矢径；

假设

和

为集中在着陆面中心的的集中力，易知

(1.2)建立动力学方程

将各矢量投影到具体的坐标系，以矢径

为例，其在主动飞行器本体坐标系S₁中的投影如下：

其中

和

分别为坐标系S₁各轴的单位矢量。

在坐标变换过程中，记A_αβ表示从坐标系β到坐标系α的坐标转换矩阵；A_(i,j)表示矩阵A第i行，第j列的元素；“×”表示向量的叉乘矩阵，对向量x＝[x₁ x₂ x₃]^T，其叉乘矩阵为：

定义各体的质量和在各自本体系的惯量矩阵分别为M₁，M₂，M₃和I₁，I₂，I₃。采用牛顿欧拉法建立系统模型，其中，系统各刚体的平动方程在惯性系下推导，而其转动方程在本体坐标系中推导。

体1：

体2：

体3：

(1.3)建立运动学方程

系统三体的运动学方程形式一致，以体1为例，假设其平动速度为v₁，姿态角为

其质心平动与转动的运动学方程为：

其中，Γ₁为相应的转动运动学关系矩阵，与实际转动自由度和选取的转角旋转顺序有关，选取3-1-2(偏航-滚动-俯仰)旋转顺序的欧拉角作为广义位移时有：

(2)根据阻尼连接机构的形式及安装位置，建立缓冲阻尼机构力学模型，具体为：

(2.1)阻尼连接机构缓冲力建模

根据阻尼连接机构的安装位置确定阻尼连接机构伸长量的表达式，并结合阻尼连接机构的刚度确定缓冲力模型。

如图4，将阻尼连接机构等效简化为一阻尼杆，其与主动飞行器相连的一端记为a，与着陆机构相连的一端记为b，阻尼杆轴向矢量为

阻尼杆a、b两端在惯性系下的矢径分别为

主动飞行器质心到阻尼杆在其上的铰接点的矢径为

着陆机构质心到到阻尼杆在其上的铰接点的矢径为

阻尼杆原长为l₁₂。

阻尼杆轴向矢量

为：

在惯性坐标系中的矩阵形式为：

其中，A_Ij为S_j体坐标系到惯性坐标系S_I的坐标转换矩阵。

阻尼杆变形后的伸长量为：

变形矢量δ₁₂为：

以式(11)所定义的

为正向，缓冲阻尼机构缓冲力可在惯性坐标系中写为：

其中，k₁₂为着陆机构和主动飞行器本体间缓冲阻尼机构的等效刚度系数。

(2.2)阻尼连接机构阻尼力矩建模

根据缓冲阻尼机构变形矢量获得两端相对运动速度的表达式，并结合阻尼连接机构阻尼系数确定阻尼力模型。

由变形矢量δ₁₂的表达式可知，缓冲阻尼机构两端相对运动速度的表达式为：

其阻尼力可在惯性坐标系中写为：

其中，ε₁₂为着陆机构和主动飞行器本体间缓冲阻尼机构的等效刚度系数

(3)根据两体碰撞的接触面的形式，建立系统碰撞力学模型，具体为：

(3.1)确定碰撞是否发生

如图5，假设主动体上的预定碰撞点为M，着陆机构上的预定碰撞点为N，则存在如下几何关系：

当两体未发生接触时：

当两体刚好接触未发生“嵌入”时：

当两体在接触点处发生“嵌入”时：

即

所以，当运动过程中，当体2与体3之间存在式(22)所示的关系式时两体发生碰撞侵入。

(3.2)确定碰撞点处的相互侵入深度和相对速度

两体接触时相互的嵌入量嵌入量δ₂₃为及接触点相对速度为可以借助式(22)得到，即：

(3.3)确定接触碰撞力

根据Hertz接触碰撞定律，两个碰撞体间的接触碰撞力的广义形式为：

其中，k₂₃为等效接触刚度，

为碰撞过程中的弹性恢复力；ε₂₃(δ)为与δ相关的阻尼因子，

为考虑碰撞过程存在能量损失，由材料阻尼引起的阻尼力；e为指数，且e≥1。

将以上接触碰撞力模型进行简化，取e＝1，假设阻尼因子为一固定常数ε₂₃，则广义的Hertz接触碰撞力简化为：

将δ₂₃和

的表达式代入上式，得到

(4)根据两体碰撞系统中主动体的接触面带有的粘附材料，建立系统粘附力学模型，具体为：

(4.1)建立连续的预压力-粘附力关系式

以基于碳纳米管材料的仿生粘附材料为例，其粘附强度与预压力关系可通过试验获得，如图6所示。试验获得的为离散数据，而建模仿真中需要连续的预压力-粘附力关系，为此首先对试验数据进行曲线拟合。采用四次多项式进行曲线拟合，拟合结果如下：

F_n(x)＝p_n1x⁴+p_n2x³+p_n3x²+p_n4x+p_n5 (28)

p_n1＝-0.006047

p_n2＝0.11

p_n3＝-0.7539

p_n4＝2.73

p_n5＝-1.8

F_τ(x)＝p_τ1x⁴+p_τ2x³+p_τ3x²+p_τ4x+p_τ5 (29)

p_τ1＝-0.06296

p_τ2＝0.4267

p_τ3＝-0.6555

p_τ4＝5.776

p_τ5＝-0.9896

其中，x为碰撞所提供的预压力，即碰撞力；F_n(x)为法向粘附力；F_τ(x)为切向粘附力。

式(28)(29)即为连续的预压力-粘附力关系式。

(4.2)判断碰撞是否达到最大侵入量，并计算最大侵入位移，确定脱附过程最大应力位移和最大分离位移

通过图6可知，仿生粘附材料的法向粘附力较弱，而碰撞角较小时碰撞的法向回弹力较大，因此法向脱粘是粘附失效的主导形式，脱附过程的最大分离位移以法向分离位移为准计算，可假设碰撞为正碰以简化计算。

碰撞过程中，两碰撞体达到共同速度，即两体上的接触点相对速度为零时两体不再继续侵入，此时碰撞达到最大侵入量。即：

其中，

为接触点相对速度沿着主动体预定着陆面法向方向的投影；着陆面法向可根据目标着陆点的选取以及着陆点和主动体本体之间的关系获得，假设其矢量n在主动体本体系S₃的矩阵表述为n，则式(30)可等价为：

即当上式成立时，两体侵入量达到最大，此时计算最大侵入量，记为：

两体碰撞达到最大侵入量以后，由于碰撞两体间材料回弹力的作用，两体侵入量开始减小，由于碰撞面带有吸附材料，因此吸附材料变形也开始恢复，粘附力开始起作用，随着变形恢复量的增大，粘附力也变大，当变形恢复到一定值后随着变形的继续恢复，粘附力开始呈现下降趋势，直至变为零，两碰撞面分离。

以上吸附材料变形恢复的过程即为脱附过程，可以采用不同的损伤演化模型模拟其力-位移特性，这里我们基于最大应力位移δ_f和最大分离位移δ_f定义分段线性的损伤演化模型，如图7所示，其中最大应力位移指以最大侵入位移为原点形变恢复至最大粘附力所对应的位移，其值可通过试验获得或材料的预压力-粘附力关系曲线近似获得，当由关系曲线获得时，假设线性的碰撞力模型，则最大应力位移和最大侵入量间的关系近似于最大粘附力与最大碰撞预压力之间的关系，即：

最大分离位移δ_f指吸附材料粘附力进一步降为零时所对应的位移，一般根据最大应力位移

近似得到，这里取：

(4.3)建立粘脱附过程的粘附力学模型

如图7所示，整个粘脱附过程的力-位移模型由上升段的粘附过程和下降段的脱附过程组成，其中粘附过程的粘附力为：

脱附过程的粘附力为：

(5)将步骤(2)、(3)和(4)分别建立的缓冲阻尼机构力学模型、系统碰撞力学模型以及系统粘附力学模型代入步骤(1)中，建立完整的接触面带有粘附材料的碰撞吸附缓冲动力学模型，具体为：

将步骤(2)、(3)和(4)分别建立的阻尼机构缓冲阻尼力学模型(14)(16)、碰撞力学模型(27)以及粘附力学模型(35)(36)代入步骤(1)建立的系统碰撞动力学模型(2)-(7)中，即可建立具体的接触面带有粘附材料的碰撞吸附缓冲动力学模型。体1：

体2：

体3：

其中，sign为符号函数，

(6)根据步骤(5)建立的完整的接触面带有粘附材料的碰撞吸附缓冲动力学模型，确定带有粘附材料的主动体对被动体的碰撞后的运动状态及粘附力情况，具体为：

计算体2、体3惯性系下的运动速度及位置：

计算体2、体3惯性角速度：

ω₂和ω₃可由分别动力学方程(40)和(42)一步递推得到。

计算粘附材料法向粘附力：

(7)根据步骤(6)确定带有粘附材料的主动体对被动体的碰撞后的运动状态及粘附力情况，判断主动体与被动体间是否建立可靠连接，进而判断主动体是否实现对被动体的捕获，具体为：

当存以下关系时，两体建立可靠连接：

或

当碰撞过程中满足情况(46)时，意味着碰撞两体发生相互侵入，且在侵入量不是最大时达到共同速度，此时两体可保持当前稳定状态飞行；

当碰撞过程中满足情况(47)时，意味着碰撞两体以粘附力作为牵拉力实现有两体位姿同步稳定运动。

利用以上建立的动力学模型，不仅可以为系统的动力学仿真与分析提供依据，更重要的是可以为着陆吸附机构尤其是碰撞缓冲机构的设计、优化提供基础。建模过程中，对吸附材料粘脱附力的处理方法可拓展应用到各种仿壁虎爬行机器人的爬行建模与控制。

本发明步骤(2)根据阻尼连接机构的形式及安装位置，建立缓冲阻尼机构力学模型，优选方案为：

(2.1)根据阻尼连接机构的安装位置确定阻尼连接机构伸长量的表达式，并结合阻尼连接机构的刚度确定缓冲力；

(2.2)根据阻尼连接机构运动状态获得两端相对运动速度的表达式，并结合阻尼连接机构阻尼系数确定阻尼力；

(2.3)根据缓冲力和阻尼力相加形成缓冲阻尼机构力学模型。

本发明步骤(3)根据两体碰撞的接触面的形式，建立系统碰撞力学模型，优选方案为：

(3.1)根据相互发生碰撞的两体碰撞点的几何关系确定碰撞是否发生；如果碰撞发生，进行步骤(3.2)，如果碰撞不发生，则不建立系统碰撞力学模型；

(3.2)根据主动体和被动体接触的几何关系确定碰撞点处的相互侵入深度和相对速度，进行步骤(3.3.)；

(3.3)依据Hertz定律确定广义的接触碰撞力模型，将步骤(3.2)建立的碰撞点相互侵入深度和相对速度模型代入该接触碰撞力模型，并进一步线性化，获得线性的系统碰撞力模型。

本发明步骤(4)根据两体碰撞系统中主动体的接触面带有的粘附材料，建立系统粘附力学模型，优选方案为：

(4.1)根据仿生粘附材料法向和切向粘附强度与法向和切向预压力的关系，计算获得粘附材料的法向和切向粘附强度；

(4.2)根据两体碰撞点相对速度判断碰撞是否达到最大侵入位移，若达到，则计算最大侵入位移，确定脱附过程的最大分离位移，进行步骤(4.3)；否则，法向和切向粘附力为零；

(4.3)根据步骤(4.2)确定的最大分离位移和步骤(4.1)确定的粘附强度，建立粘附材料粘脱附过程的粘附力学模型，即系统粘附力学模型。

为验证所建接触面带有粘附材料的碰撞吸附动力学模型对碰撞过程作用力确定的准确性，采用Matlab建立上述动力学模型的仿真模型，与试验实测作用力数据进行比较。本发明中，当被动体质量远大于主动体时，发生碰撞后被动体的运动状态变化很小，假设其基本不发生变化。而碰撞过程作用力直接决定于两体的相对运动状态，因此仿真验证时，可以假设碰撞前后运动状态基本不发生变化的被动体处于固定状态，主动体以一定速度碰撞固定的被动体，即体3。

采用的试验系统如图8所示，整个试验系统由碰撞体，表面带有粘附材料的被碰撞体，由调速器、电机、推进器组成的调速推进系统，滑轨以及LSZ-S61撞击力/反弹力传感器、测速传感器等辅助测量装置组成。其中，碰撞体由推进器和撞击物组成，等效为仿真模型中的体1和体2，被碰撞体表面带有粘附材料，等效为仿真模型中的体3.

仿真模型和试验模型采用相同的系统及工况参数，0.38m/s的撞击速度下，碰撞试验中撞击力如图9所示。试验中峰值撞击力为2.1kg，初次碰撞持续时间约为0.3s。在缓冲阻尼机构和粘附材料的作用下，碰撞回弹量很小，仅为约0.24Kg。本发明所建碰撞动力学模型的仿真结果如图10所示，理论仿真中，碰撞力峰值约为22N，初次碰撞持续时间也约为0.3s，碰撞回弹量约为3N。比较以上两图的分析结果可知，碰撞试验结果与理论仿真非常吻合，充分验证了所建立碰撞吸附动力学模型在碰撞过程作用力确定方面的正确性，可以用于判断主动体与被动体间是否建立可靠连接，进而判断主动体是否实现对被动体的捕获。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种接触面带有粘附材料的碰撞吸附情况确定方法，其特征在于步骤如下：

(1)利用牛顿-欧拉法，建立不考虑碰撞过程作用力具体形式的两体碰撞系统运动模型；

(2)根据阻尼连接机构的形式及安装位置，建立缓冲阻尼机构力学模型；

(3)根据两体碰撞的接触面的形式，建立系统碰撞力学模型；

(4)根据两体碰撞系统中主动体的接触面带有的粘附材料，建立系统粘附力学模型；

(5)将步骤(2)、(3)和(4)分别建立的缓冲阻尼机构力学模型、系统碰撞力学模型以及系统粘附力学模型代入步骤(1)中，建立完整的接触面带有粘附材料的碰撞吸附缓冲动力学模型；

(6)根据步骤(5)建立的完整的接触面带有粘附材料的碰撞吸附缓冲动力学模型，确定带有粘附材料的主动体对被动体的碰撞后的运动状态及粘附力情况。

2.根据权利要求1所述的一种接触面带有粘附材料的碰撞吸附情况确定方法，其特征在于：两体碰撞系统，包括主动体和被动体。

3.根据权利要求1所述的一种接触面带有粘附材料的碰撞吸附情况确定方法，其特征在于：主动体，包括主动飞行器本体以及用于吸附捕获的着陆机构，两者通过缓冲阻尼机构连接。

4.根据权利要求1所述的一种接触面带有粘附材料的碰撞吸附情况确定方法，其特征在于：被动体，即为目标飞行器本体。

5.根据权利要求1所述的一种接触面带有粘附材料的碰撞吸附情况确定方法，其特征在于：碰撞过程作用力，具体为：粘附材料法向/切向粘附力、碰撞力以及缓冲机构缓冲阻尼力。

6.根据权利要求1所述的一种接触面带有粘附材料的碰撞吸附情况确定方法，其特征在于：阻尼连接机构的形式及安装位置，具体为阻尼机构为阻尼杆式机构，安装于主动体着陆机构与飞行器本体之间。

7.根据权利要求1所述的一种接触面带有粘附材料的碰撞吸附情况确定方法，其特征在于：两体碰撞的接触面的形式，具体为：主动体上着陆机构的着陆面较小，与目标视为点面接触。

8.根据权利要求1所述的一种接触面带有粘附材料的碰撞吸附情况确定方法，其特征在于：还包括(7)，根据步骤(6)确定的带有粘附材料的主动体对被动体的碰撞后的运动状态及粘附力情况，从而判断主动体与被动体间是否建立可靠连接，若建立可靠连接则判定主动体实现对被动体的捕获。

9.根据权利要求1所述的一种接触面带有粘附材料的碰撞吸附情况确定方法，其特征在于：两体碰撞具体为主动体和被动体碰撞。

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