星球车轮转向与侧向滑移地面力学机理、预测模型及其应用研究

星球表面的松软崎岖特性导致星球车存在明显侧滑，严重破坏了复杂轮式机器人(强耦合、高度非线性、多输入多输出)的"理想非完整约束"等基本假设，因而提出了许多新的科学问题，对于相互耦合且机理相同的转向和滑移地面力学的深度探究是解决这些新问题的根本。本课题拟利用车轮土壤相互作用测试平台对多种车轮运行于模拟星壤上的转向和滑移力学特性进行系统的试验研究，以揭示其中的车轮运行状态效应、地形效应和轮缘结构效应。基于土力学理论分析土壤的细观变形、破坏形式和流动轨迹，对轮地作用的材料、几何、边界三重非线性进行数学描述，实现数值模拟，揭示车轮的转向与滑移地面力学机理。构建基于多物理效应的分布应力和集中力/力矩计算模型，实现对车轮转向与滑移过程的高精度预测。针对不同需求，推导封闭解析模型，研究其在星球车高保真度仿真、高性能移动控制和车轮结构优化设计中的应用方法，为我国探月工程中的月球车等星球车的研究开发提供支持。

本课题利用车轮土壤相互作用测试平台对多种车轮运行于模拟星壤上的转向和滑移力学特性进行系统的试验研究，揭示了车轮土壤相互作用过程中的运行状态效应、轮刺效应、尺寸效应、载荷效应等。基于土力学理论和离散元数值仿真，分析了土壤的变形和流动轨迹，对轮地作用的多重非线性进行数学描述，初步揭示了车轮的转向与滑移地面力学机理。构建了基于多物理效应的分布应力和集中力/力矩计算模型，实现了对车轮转向与滑移过程的高精度预测。针对不同需求，研究了转向和滑移力学在星球车高保真度仿真、高性能移动控制和车轮结构优化设计中的应用方法。发表相关学术论文38篇(28篇标注引用)，其中SCI论文18篇，EI论文19篇，两篇SCI论文发表在机器人领域的顶级杂志《机器人研究》，发表在《地面力学》杂志的1篇论文位列杂志近五年高被引论文第1名；投递SCI源论文12篇，EI源论文3篇；获得授权和受理专利8项，软件著作权2项；获得国家级、省部级和国际奖励8项，其中，“月球车移动系统关键技术”获得国家技术发明二等奖，课题负责人博士论文“月/星球车轮地相互作用地面力学及其应用”获机械工程学会上银优秀博士论文奖；培养研究生和本科生十余人；依托本课题研究成果，项目负责人于2013年获得青年基金的面上连续资助。相关成果为我国探月工程中的月球的研究开发提供了支持，国家自然科学基金委网站进行了相关报道。