基于可钻性在线辨识的月面钻取采样自主适应方法研究

China is launching the lunar sampling mission with an automated drilling and coring device. Since type of lunar regolith at the sampling point and mechanical characteristics in depth are unknown, it is a great challenge to realize the autonomous control with limited monitoring information of drilling and coring device. This research is focused on autonomous adaptability of lunar drilling and coring based on online recognition of drillability. Lunar regolith simulants that cover all the possible mechanical characteristics of real lunar regolith are classified into several limited grades by drillability. The physical model between lunar regolith and coring drill is established to reveal the law of coring objective and drilling parameters. Based on theory of correlation, the drilling characteristics are extracted as the inputs to recognize drillability. The autonomous closed control is achieved through matching the recognition results with the optimal drilling parameters. The features of this research can be concluded as follows. Neglecting the detailed physical form of lunar regolith, this research provides a novel method for the autonomous control of drilling and coring device based on the drillability online recognition with limited drilling monitoring information.

以我国月面无人自动钻取采样装置的自主适应控制为背景，针对采样点月壤类型及月壤剖面物理力学特性具有随机性和不可预知性，并且在采样状态监测参量有限的前提下，如何实现钻取采样在轨自主智能控制这一难题，本项目拟开展基于可钻性在线辨识的月面钻取采样自主适应方法研究。本项目拟开展以下研究工作：构建机械特性具有等效性和覆盖性的模拟月壤，研究可钻性等级划分准则与方法；建立模拟月壤与采样钻具的相互作用模型，揭示取心目标随钻进规程参数的变化规律；基于相关性理论确立钻进特征与可钻性等级的对应关系模型，开展基于有限状态监测信号的可钻性辨识方法研究；将可钻性的在线辨识结果与最优钻进规程相结合，实现钻取采样随钻进工况变化的实时调整与闭环控制。本项目的创新之处是忽略月壤的具体物理形态，依据有限的采样状态监测参量，对月壤剖面的可钻性进行辨识，依据辨识结果自主匹配钻进规程参数，为实现钻取采样在轨自主控制提供参考方法。

本项目以我国探月三期工程月面无人钻取采样为研究背景，开展复杂月面环境下的钻进适应方法研究。基于振实法开展不同物理与力学特性钻取用模拟月壤样本制备工艺研究，基于理想弹塑性理论建立了振动压实模型，研究模拟月壤在振实过程中的动态特性。提出了钻取用模拟月壤制备工艺，为制备大量物理与力学特性参数一致的钻取用模拟月壤样本提供参考。基于螺旋排土理论与被动土压理论，建立了钻具与模拟月壤相互作用模型预测模拟月壤钻进负载。分析结果表明四个相互作用区域的边界条件在建模过程中不能忽略。推土区负载为模拟月壤钻进负载的主要组成部分，主要由扰动土压缩、扰动土与原位土之间摩擦及钻头与扰动土之间摩擦产生。分析钻具作用下月壤的失效形式及运移状态，提出填充率概念用以定量描述螺旋钻杆的排屑状况，基于螺旋输送理论建立两种典型工况下的钻进力载模型。多维钻进工艺参数下的模拟月壤钻进试验表明：填充率指标能够准确描述螺旋钻杆的排屑状况；钻进力载模型能够有效预测钻进负载。提出了一种基于可钻性在线辨识的钻进控制方法。基于机械钻速法划分了模拟月壤可钻性等级，简化了钻进工况的辨识难易程度。以钻进过程中的状态监测信号为基础，利用支持向量机的模式识别方法开展钻进对象的可钻性等级在线辨识，同时依据辨识结果匹配最优的钻进工艺参数，实现了钻进过程的智能控制。复杂钻进工况下的闭环控制试验表明，此钻进控制方法具有较高的环境适应能力，可有效提高钻进安全性。拓展研究的面向星球采样的超声波钻探技术用于我国首次小行星探测任务，以实现非确知、微引力条件下的小行星表面附着及取样。发表SCI/EI论文28篇，其中SCI论文13篇；获国家发明专利15项，获黑龙江省技术发明一等奖1项，黑龙江省机械工业联合会技术发明一等奖1项，获中国宇航协会第十二届深空探测学术年会优秀论文奖1项，参加国际学术会议8人次，作学术报告6次。