基于风帆雪橇的极地漫游机器人运动机理研究

摘要

近年来，随着世界各国对南极科考的研究的深入，对机器人化科考装备的需求也越来越迫切。目前，对辅助和局部代替科研人员进行科学活动的南极科考机器人系统已经取得初步的成果，但对于深入南极大陆开展长期连续探测活动的机器人研究面临解决能源动力自给自足的问题。考虑到南极丰富的太阳能和风能资源，与此同时南极大陆降雪量低，地面相对平坦，只有少量的障碍物，拟构建基于风帆雪橇的极地漫游机器人。该机器人系统对提高我国机器人化南极科考的广度和深度具有重要的现实意义。同时，其成果也将为其它移动机器人系统理论提供理论方法和技术支持，具有一定的理论意义。
　　首先，本文介绍了常见风能动力装置和雪上行驶装置的特点，选择翼型风帆和雪橇作为动力装置和行驶装置，对以风帆和雪橇为主要构件的风帆雪橇极地漫游机器人进行机构模型设计。
　　从理论上分析了风帆的气动力学原理，风帆各参数对风帆性能的影响，确定了机器人使用风帆相关参数，并使用计算流体力学软件ANSYS-CFX仿真计算出风帆的气动力学参数。
　　建立风帆坐标系、船体坐标系和转向舵坐标系，分别建立风帆、雪橇和舵等构件的力学模型，分析风帆的动力来源，雪橇的阻力等，并在此基础上分析整机的力学性能，建立机器人的力学模型，得出了力学模型的数学表达式。
　　其次，使用MATLAB软件根据建立的力学模型对机器人进行了最低行驶条件分析、航速分析、可行驶范围分析以及转向能力研究，分析风帆雪橇极地漫游机器人的运动机理。
　　再次，结合机器人的力学模型考虑倾覆力矩等不利因素对机器人的行驶稳定性影响。
　　最后，在相关理论分析和仿真研究的基础上，设计了风帆雪橇极地漫游机器人的原理样机，并以该原理样机为实验平台，进行了机器人试验研究，验证理论和仿真分析的结果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 相关技术国内外研究现状

1．2．1 南极科考机器人

1．2．2 风帆驱动机器人

1．2．3 风帆

1．2．4 雪橇

1．3 本文的研究问题和研究内容

第2章 机器人的机构分析和构型设计

2．1 风能动力装置

2．2 雪地行驶装置

2．3 机器人的构型设计

2．4 本章小结

第3章 风帆的空气动力性能研究

3．1 风帆的主要参数

3．1．1 软帆和硬帆

3．1．2 风帆的剖面形状

3．1．3 风帆的参数

3．2 风帆的空气动力学原理

3．2．1 风帆升力的产生

3．2．2 风帆的推力

3．3 风帆性能的分析

3．3．1 风帆性能的分析方法

3．3．2 展弦比对风帆性能的影晌

3．3．3 拱度比对风帆性能的影响

3．4 风帆的参数选择及其力学特性

3．5 本章小结

第4章 机器人的力学建模

4．1 坐标系及相关变量定义

4．2 风帆的受力分析

4．3 雪橇的受力分析

4．4 转向舵受力分析

4．5 整机受力分析

4．6 本章小结

第5章 机器人行驶能力分析

5．1 仿真的一些特殊规定

5．2 机器人的最低行驶条件分析

5．3 机器人的航速分析

5．4 机器人的行使范围分析

5．5 机器人的转向能力分析

5．5 本章小节

第6章 机器人稳定性分析

6．1 机器人的稳定性校核

6．1．1 倾覆力矩BMaX、BMaY的计算

6．1．2 最小倾覆力矩BMaXmin和BMaYmin的确定

6．1．3 机器人稳定性校核条件

6．2 机器人的横向力引起的不利影响

6．3 本章小结

第7章 机器人原理样机设计与实验研究

7．1 机器人原理样机的设计

7．1．1 样机的技术指标和参数

7．1．2 重要的结构设计

7．1．3 样机的控制系统

7．2 实验研究

7．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果

致谢