面向淺層月壤的柔性取樣器研究.pdf

1、在歷次行星探測中都需要進行原位取樣分析，取樣器是攸關(guān)科學(xué)探測任務(wù)成敗的關(guān)鍵設(shè)備之一。我國“嫦娥”探月工程在“落”和“回”兩個階段都需要月球車原位取樣分析。但月面特殊的空間環(huán)境如微重力、超高溫差、高真空、高靜電、高輻射等制約著取樣器的設(shè)計，此外，取樣器設(shè)計還受制于科學(xué)載荷及功率的限制。本文主要面向淺層月壤原位定量取樣設(shè)計了一種小型柔性取樣器，通過特有的開口圓柱形薄殼桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)柔性收縮和剛性展開，解決了傳統(tǒng)取樣器重量大、體積大、功耗大的問題

2、，同時開展了頻率自適應(yīng)控制及原位辨識的研究來提高鉆進效率、拓展取樣器功能。
　　 首先面向淺層月壤，設(shè)計了一種新穎的柔性小型取樣器，包括卷簧式可伸縮取樣臂及振動式取樣頭。取樣器重量輕、功耗低、收縮體積小、展開行程較大、鉆取和拋丟樣品效率高，并能夠原位、定量取樣。并對選用的取樣器電機進行了計算分析。然后通過理論分析和ANSYS工具研究了取樣器的靜力學(xué)和動力學(xué)特性。靜力學(xué)分析給出了取樣臂半徑與厚度的約束條件，以及取樣臂最大下推力與各

3、參數(shù)之間的關(guān)系，并通過ANSYS有限元分析來研究取樣臂幾何參數(shù)對最大推力的影響，給出了最大推力的數(shù)學(xué)估計公式。然后進行動力學(xué)分析研究取樣器的振動特性以及振動對固定端的影響，建立和分析了“取樣頭—月壤”共振破碎的線性和非線性系統(tǒng)，并通過ANSYS進行取樣頭和取樣器的振動有限元分析，為振動頻率自適應(yīng)控制及基于振動信號的原位辨識提供了理論基礎(chǔ)。最后根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果對取樣臂參數(shù)進行了優(yōu)化。
　　 基于TMS320F2812和LabWin

4、dows/CVI軟件平臺設(shè)計了取樣器的測控系統(tǒng)，實現(xiàn)對伸縮電機電流信號、取樣臂位移信號、取樣電機電流信號、取樣頭兩維正交振動信號、取樣勺位置信號的采集以及伸縮電機、取樣電機的控制，并通過交流調(diào)制恒流驅(qū)動實現(xiàn)振子的振動頻率調(diào)制?；贚abWindows/CVI軟件平臺設(shè)計的上位機測控軟件通過ActiveX技術(shù)調(diào)用Matlab和Excel來實現(xiàn)控制算法與信號處理算法以及數(shù)據(jù)的存儲與查詢。
　　 為了提高取樣器的鉆進效率，提出了基于動

5、態(tài)參數(shù)辨識的窄帶掃頻模糊自適應(yīng)控制算法，先通過滑動最小二乘法進行“取樣頭—月壤”共振頻率模型參數(shù)辨識，再通過模糊控制器實現(xiàn)掃頻帶寬的自適應(yīng)控制。其次，為了適應(yīng)“取樣頭—月壤”振動系統(tǒng)的非線性和不確定性，構(gòu)建了基于神經(jīng)網(wǎng)動態(tài)預(yù)測的共振頻率神經(jīng)模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)。先對比研究了LMBP、RBF以及GRNN神經(jīng)網(wǎng)的共振頻率動態(tài)預(yù)測性能，并設(shè)計了基于頻率預(yù)測誤差、振幅及振幅變化為輸入，掃頻帶寬為輸出的神經(jīng)模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)。最后并通過仿真驗證了算

6、法的有效性。
　　 為了拓展取樣器的功能，提出了基于振動信號的原位辨識方法。首先通過時域信息熵、經(jīng)典功率譜（周期圖法、Welch法）、現(xiàn)代功率譜（基于AR模型的Burg法、MUSIC法）進行振動信號特征提取，再通過支持向量機(SVM)和改進K近鄰分類器進行分類，實現(xiàn)“取樣頭—巖石”接觸辨識和“取樣頭—不同密度被取樣物”的原位辨識。比較研究表明通過Welch功率譜進行特征提取，再通過SVM進行分類辨識效果最佳。最后提出并驗證了通過