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，取樣器是攸關科學探測任務成敗的關鍵設備之一。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計，此外，取樣器設計還受制于科學載荷及功率的限制。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構實現(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和動力學特性。靜力學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)學估計公式。然后進行動力學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，為振動頻率自適應控制及基于振動信號的原位辨識提供了理論基礎。最后根據(jù)力學分析結果對取樣臂參數(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)制恒流驅動實現(xiàn)振子的振動頻率調(diào)制?；贚abWindows/CVI軟件平臺設計的上位機測控軟件通過ActiveX技術調(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)掃頻帶寬的自適應控制。其次，為了適應“取樣頭—月壤”振動系統(tǒng)的非線性和不確定性，構建了基于神經(jīng)網(wǎng)動態(tài)預測的共振頻率神經(jīng)模糊自適應控制系統(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)預測性能，并設計了基于頻率預測誤差、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