月球车说明书

燕山大学AU 之星月球车设计说明书

作品名称：AU 之星月球车

设计者 ：谭晶 贾喜亮 袁品贵

指导教师：姚建涛 唐艳华

参赛单位：燕山大学机械工程学院

目录

摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 关键字„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2国内外研究概况„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

2.1主要的研究„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

2.2著名的星球探测工具„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 3几种越障方式的比较„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 4设计时应考虑的问题„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

4.1体积小、重量轻、低功耗„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

4.2灵活的越障、避障能力„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

4.3微重力考虑„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

4.4环境防护能力„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

4.5月球车能源系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

4.6月球车材料的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 5登月小车功能介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

5.1车体„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6

5.2越障行驶模块„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6

5.3机械臂模块„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8

5.4传感监控及控制模块„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

5.5电源模块„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 6月球车基本参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 7作品主要创新点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 8总结和感受„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 9致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 10参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12

AU 之星

设计者:谭晶 袁品贵 贾喜亮

指导教师:姚建涛 唐艳华

摘要:由于月球表面地形复杂，越过障碍物是登月小车运动中首要的考虑因素，所以，设计设计登月小车，首先必须考虑的是越障方式。据我们查证，目前主流的越障方式主要有轮式越障、足式越障、履带式越障等几种。为了使登月小车具有较好的灵活性和适应性，我们制作的登月小车在越障方式上采用复合方式越障。使用轮式移动方式，保证登月小车的移动灵活机动；使用足式结构，增强登月小车的跨越障碍能力；使用履带式机构，提高登月小车爬坡能力。

关键词:登月小车；越障

1. 引言:早在1957年美国就开始设想阿波罗登月计划，经过若干年科学、技术和财政支持的多方面综合论证，1961年5月25日，美国正式宣布实施该项计划。历时10年多时间，于1972年12月底阿波罗登月计划结束。自此以后，很多国家都开始了对月球的探索。2004年，我国正式开展月球探测工程，并命名为“嫦娥工程”，嫦娥工程的第一阶段计划是于2007年年底前发射中国第一颗月球探测卫星“嫦娥一号”环绕月球运行，及进行为期一年的月球探测任务，嫦娥工程现阶段的主要目标是：

1.1 探测区月貌与月质背景的调查与研究

利用着陆器机器人携带的原位探测分析仪器，获取探测区形貌信息，实测月表选定区域的矿物化学成分和物理特性，分析探测区月质构造背景，为样品研究提供系统的区域背景资料，并建立起实验室数据与月表就位探测数据之间的联系，深化和扩展月球探测数据的研究。探测区月貌与月质背景的调查与研究任务主要内容包括：

1.1.1探测区的月表形貌探测与月质构造分析；

1.1.2探测区的月壤特性、结构与厚度以及月球岩石层浅部（1～3 km ）的结构探测；

1.1.3探测区矿物/化学组成的就位分析。

1.2 月壤和月岩样品的采集并返回地面。

月球表面覆盖了一层月壤。月壤包含了各种月球岩石和矿物碎屑，并记录了月表遭受撞

击和太阳活动历史；月球岩石和矿物是研究月球资源、物质组成与形成演化的主要信息来源。采集月壤剖面样品和月球岩石样品，对月表资源调查、月球物质组成、月球物理研究和月球表面过程及太阳活动历史等方面都具有重要意义。月壤岩芯明岩样品的采集并返回地面的任务主要内容包括：

1.2.1在区域形貌和月质学调查的基础上，利用着陆器上的钻孔采样装置钻取月壤岩芯；

1.2.2利用着陆器上的机械臂采集月岩／月壤样品；

1.2.3在现场成分分析的基础上，采样装置选择采集月球样品；

1.2.4着陆器和月球车都进行选择性采样，月球车可在更多区域选择采集多类型样品，最后送回返回舱。

我们的月球小车正是为了嫦娥工程现阶段的目标而设计。

2. 国内外研究概况：月球表面地形恶劣，月球探测车在这种位置的环境中工作，必须具有性能有优越、自适应能力强的移动系统。因此，月球探测车的移动系统必然是星球探测的核心技术之一。

2.1主要的研究：

著名的有美国Rocky 系列移动系统；

卡耐基·梅隆大学的Nomad 移动系统；

俄罗斯爱达荷大学设计制造的APX 系统；

国内的国防科技大学，清华大学, 哈尔工业大学。

2.2著名的星球探测工具:

索杰纳 由美国JPL 研制采用六轮摇臂悬吊式结构，四个角轮具有独立驱动和控制能力； Athena 美国JPL 正在研制一种高度自主的火星漫游车，也采用六轮摇臂悬吊式结构，六轮可以独立驱动，因而具有较强的越障和爬坡能力；

Nomad （流浪者 ）由美国CMU 大学研制机械结构：采用四轮机构，且四轮具有独立驱动兼导向能力，其行驶机构由可变形的底盘、均化悬挂系统和自包含轮组成，可变形的底盘使得在运输过程中，机构的体积较小（1.8m ×1.8m ×2.4m ），而在运行时具有较大的覆盖面积（2.4m ×2.4m ×2.4m ）。均化悬挂系统可以平滑机器人本体相对于轮子的运动，这种结构可保证在各种地形情况下四轮都能同时着地；

Nanorover 由美国JPL 开发的一种微型火星车，用于协助其它火星车工作，它具有传统的滚动和转动之外的移动方式，可以视为足式和轮式的一种混合结构，采用这种结构，小车

可以在底盘朝上时自动翻过来，具有自矫正功能；

3. 几种越障方式的比较

3.1足式移动系统的控制复杂，相关技术也不太成熟. 足式越障具有适应能力最强的特点，对于障碍可以通过关节的变形达到多种效果，越障碍的能力也极强，但是其缺点是由于其移动速度慢，其越障碍的效率在这三者之间是最差的。

3.2履带式移动系统具有良好的越障性能，较强的适应性和使用寿命，履带式越障对于障碍的要求极低，越障碍的能力极强，而且具有良好的爬坡性能，适合在崎岖的地面行驶，其适应范围广，运动效率高; 其缺点是灵活机动性差，适应性弱, 履带式移动系统的机构可能复杂，运动分析及控制可能较困难。

3.3轮式移动系统在相对平坦的地形中具有相当的优势，同足式移动系统相比，其控制也较简单，大多数的研究者倾向于将行星探测车的移动系统设计成轮式机构。轮式移动系列运动迅速、平稳，尽管其比较适合平缓的环境，但合适的悬架系统来使其适应凹凸不平的地形需巧妙的设计。轮式越障的优点是相比其它越障方式效率高，但是其有一个很大的缺陷就是适应能力差，对环境要求高。

4. 设计时应考虑的问题

月球基本环境：月球表面环境与地球环境差异很大，具有表面环境恶劣、温差大、地表地形复杂等特点。月球距地球384，467Km ，表面重力加速度为1.67m/s2（微重力），月球表面布满沉积的尘埃和砂石，无水，无大气层，表面温度范围为-152.7℃至130℃。

根据月球的表面环境，我们提出了具体的设计要求

4.1体积小、重量轻、低功耗

星际飞行过程中，月球车置于飞行器携带的着陆器内，它既是月球车的保护载体，又是连接月球车与地球站的通讯控制中继站。另外月球车还存在能源供应问题。因此限制了月球车的体积、重量和功耗，而这些因素又彼此相互制约。例如，美国的“索杰纳”号火星探测车体积仅自重仅11.15kg 。

4.2灵活的越障、避障能力

在地形复杂的月球表面，包括布满尘埃的松软的沙地、多石块砂砾地、高低起伏的坡地，而且还存在岩石遍布、高低断层纵横的地带，因此月球车的灵活的避障、越障和自动复位能力对于完成月球车的漫游探测任务异常关键。避障能力要求导航和控制系统灵敏有效。越障能力体现在抗倾覆能力、爬坡和跨坑道等能力，要求车体结构灵活、机动性能好。离障能力是指在月球车遇到特殊情况快速脱离险境的能力。虽然导航和控制技术使月球车的避障能力

大大加强。但月球车机动性的关键还是月球车的机械结构、机械传动和驱动系统性能。车上载有各种科学探测和通讯仪器，对于月球车运动学、动力学都有很高的要求。

4.3微重力考虑

为适应行星表面的各种重力情况，机械系统还应具有适应微小重力等环境的适应能力，以保持其灵活的机动性。月球上的重力很小，车辆显得很轻，因此很容易翻。重力减小的同时，车辆和月面的摩擦力也减小了，对车辆的控制会变得很困难。加上月面的地形复杂，浮尘又很厚。这些因素都使得车辆在月球上运动时变得十分不稳定。 敏捷性要求高速度，可靠的制动，灵活的转向。但是稳定性的下降，使得车辆不能开得太快，也不能转弯太急，否则车辆很容易翻

4.4环境防护能力

为适应大温差环境。要求月球车具有低温、高温防护能力。在无大气层或稀薄大气层情况下，要求月球车具有抗宇宙射线辐射能力。此外，月球车还应具有防尘防磁等能力。

4.5月球车能源系统

月球车的所有设备如计算机系统、驱动电机、激光探测器、通讯用无线调制解调器的都需要电源，所以能源供应是月球车完成探测任务的另一个关键问题。月球车上的电子电路、科学探测仪器设备和驱动电机都是采用直流供电方式。小型月球车的质量一般从十几千克到几十千克，载重能力有限，而功率需求至少几瓦至几十瓦，因只能携带少量高性能电池组，月球车满负荷工作下仅能供应数天时间。而月球车工作时间一般都要求数周或数月时间，所以除高性能电池组外，还需要电力系统，一般采用太阳能电池组，为协调系统各部分供电需要电源控制系统。

4.6月球车材料的选择

月球车选区的材料必须能够适应月球表面的特殊环境。包括金属材料和复合材料，对于材料的要求是：比特性高；强度、塑性好；热稳定性好；具有高的抗腐蚀性；导热性好；因为月球车在宇宙环境中工作受到辐射，所以要求吸收中子的能力比较弱；辐射稳定性好；不能吸收气体；在低温条件下应有塑性储备，不发生脆化，有较好的工艺性，工艺性包括可焊性、机械加工性和冷压性；同时应有较好的经济性指标。但没有一种材料能满足上述所有的特性，故此选择材料时应匹配材料特性，通常根据材料的工作时间来选择材料。

5.AU 之星登月小车功能介绍

本登月小车包括车体、越障行驶模块、机械臂模块、和传感监控及控制模块，电源模块等5部分：

5.1车体：用于固定和安装其它部件。例如用于传感的视频摄像头、机械臂、越障行驶结构等；

图1整体视图

5.2越障行驶模块：主要由4个驱动车轮及减速传动装置组成。

图2 履带箱及其内部电机

4个电机通过协调控制登月小车左右两侧的驱动车轮，采用控制系统控制履带摆动实现转向运动，从而方便地实现地面上的各种运动。

在足式结构上配有电动缸控制系统，可以调节履带的角度，用来实现越障功能；通过控制调节履带的转动方向，可以使小车整体转动。

图3 月球车悬架系统

四只斜置的弹簧阻尼减震器可以极大地减小月球车行驶过程中的颠簸。

图4 弹簧阻尼减震器

图5液压推杆

通过液压推杆的动作可以改变小车腿的角度，进而改变四足覆盖的面积和车身高度从而调节小车行驶的稳定性。

5.3机械臂模块：主要由两个固定在车体上的机械转臂和两个可以自由转动的机械手以及机械手上的机械手指组成，机械臂由三个连杆组成通过关节电机转动来调节位置，可以实现在球面内的转动，机械指也是由三个连杆组成，通过三个关节处的电机转动，可以使两个机械指协同作用抓取物品，机械手可以360°转动，通过高速旋转来清理岩石表面风化层，在机械手的中央配有分光计用来分析采集来样品的化学成分，分光计在不使用的时候收回，防止损坏。

图6

机械臂

图7 机械臂在车体上的位置

图8机械手

5.4传感监控及控制模块：传感监控部分主要由摄像头传感系统反馈系统来完成。月球车上配有的双目视觉桅杆可以转动来实现多角度的拍摄，在获取环境信息以及登月小车本身的姿态状况后，通过实时的无线数据回馈，由控制分析系统进行控制，判断并决定月球车的

行驶路线及越障方式。

图9 视觉桅杆及通讯系统

5.5电源模块：电源模块由小车电源和太阳能电池板组成，太阳能电池板可以折叠，放入到小车的车体中，使小车方便的登陆月球，太阳能电池板可以随太阳转动，使阳光总是垂

直照射到电池板上，增加了小车的活动时间。

图10电池板

6月球车基本参数

6.1基本数据

行走系统重量：12Kg ；

月球车尺寸：1400mm ×1350×1380mm(收拢状态) ；

图11 收拢状态

行走系统折迭比：小于0.8；

可爬越坡度：30°，并能适应30°的侧倾角；

能越过低于200mm 的障碍，避让高于200mm 的障碍；

6.2行走系统功耗(月面功耗) 估计：

额定功耗：30W

最大功耗：50W ；

6.3关键部件重量分配：

有效载荷(科学仪器) ：4kg ；

机械臂：重量1kg ，负荷0.5kg 。伸出长度：约80cm ～90cm ；

箱体及天线等：重量约12kg 。

7作品主要创新点

7.1考虑到登月过程，小车的体积不宜太大，结构应该紧凑，所以越障模块和机械臂模块和电源模块都具有收缩功能。

7.2岩石在月球表面风化现象严重，采集样品后，机械手可对岩石表面进行清理，去出风化层，同时，配有的分光计可以检验样品，确定样品的价值后再判断是否带回样品。

7.3针对履带在月球表面行驶时，由于尘埃的存在，履带容易被尘埃包裹的缺点，我们为月球车增加一备用履带，可用机械手更换并清理履带，保障履带的行驶能力

7.4采取足式、履带式复合越障的方式，使用足式结构，增强登月小车的跨越障碍能力；使用履带式机构，提高登月小车在复杂路面等环境中的行驶能力。

7.5小车配有双目视觉桅杆，可以自主设计小车的行驶路线，当遇到的障碍小车无法跨越时，可以控制调节履带轮的转动方向，使小车转弯或者向后行驶。

7.6履带可以正反两个方向转动，小车两侧履带向相反两个方向转动可以使小车在原地转动。

7.7悬架中配有弹簧，使小车在越障过程中车体保持平稳。

8总结和感受

登月小车是一个新兴的研究领域, 其使用环境的特殊性对登月小车硬件和软件两方面都提出了更高的要求, 目前在该领域仍存在很多需要不断探索的技术难题。所以本登月小车在对这个方面的改善有一定的帮助。同时，作为学生实践作品。我们自己在本次作品制作中也有了一定的进步，通过这次项目的制作，我们个人能力有了提高，在这次项目从立项到制作的过程中，我们项目小组同甘共苦，有项目成功时的兴奋与喜悦，也有受阻熬夜时的艰辛与痛苦，但是我们的热情从未消失过。因为它可以让我们尽情的展示课堂所学，可以开阔我们的视野，教会我们足以在社会中生存的一些能力，为我们梦想提供起飞的跑道。

9致谢

这次在我们项目制作的过程中，我们首先要感谢我们项目的指导老师，他们在我们项目

的制作过程中给了很多的帮助和指导，使我们少走了许多的弯路，许多地方的制作起到了事半功倍的效果。同时更应该感谢学校创新基地给我们提供这么多的支持，让我们有这次锻炼自己的机会，让我们学习更多的知识技能，多方面的锻炼了自己的能力

10参考文献

10.1邹永廖, 欧阳自远, 徐琳 ,刘建军, 胥涛. 月球表面的环境特征[J]. 第四纪研究； 10.2王祀，于航. 传感器技术的新发展. 传感器技术.1998年7月版；

10.3褚学兵 复杂路况下移动机器人行走系统的研究. ［硕士学位论文］. 天津. 河北工业大学； 10.4蔡改贫，吴光华，欧阳田. 越障机器人运动学分析与仿真；

10.5 莫海军 朱文坚 履带式移动机器人越障稳定性分析 华南理工大学机械工程学院。