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    基于模拟月壤挖取采样扭矩试验及建模

    李谦 段隆臣 张大伟 高辉 刘宾

    李谦, 段隆臣, 张大伟, 高辉, 刘宾, 2013. 基于模拟月壤挖取采样扭矩试验及建模. 地球科学, 38(6): 1363-1370. doi: 10.3799/dqkx.2013.000
    引用本文: 李谦, 段隆臣, 张大伟, 高辉, 刘宾, 2013. 基于模拟月壤挖取采样扭矩试验及建模. 地球科学, 38(6): 1363-1370. doi: 10.3799/dqkx.2013.000
    LI Qian, DUAN Long-chen, ZHANG Da-wei, GAO Hui, LIU Bin, 2013. Experiment in Torque Model of Digging the Lunar Soil Simulant. Earth Science, 38(6): 1363-1370. doi: 10.3799/dqkx.2013.000
    Citation: LI Qian, DUAN Long-chen, ZHANG Da-wei, GAO Hui, LIU Bin, 2013. Experiment in Torque Model of Digging the Lunar Soil Simulant. Earth Science, 38(6): 1363-1370. doi: 10.3799/dqkx.2013.000

    基于模拟月壤挖取采样扭矩试验及建模

    doi: 10.3799/dqkx.2013.000
    基金项目: 

    北京空间飞行器总体设计部“采样机具与月壤相互作用平台的研究” 201205G007

    详细信息
      作者简介:

      李谦(1987-),男,博士研究生,主要从事计算机在地质工程中的应用的研究.E-mail: ql_eye@163.com

      通讯作者:

      段隆臣,E-mail: duanlongchen@163.com

    • 中图分类号: P642

    Experiment in Torque Model of Digging the Lunar Soil Simulant

    • 摘要: 开展月球探测对于提升我国综合实力具有重要意义.按照计划我国将在2017年左右完成月球采样并返回地球的目标.目前国内各科研院所对采样机具的研究多集中在钻取机具的设计及其仿真模拟上,对表层取样机具研究较少.基于表层取样研发了一套由直流电机驱动,并能通过检测其电流间接测算挖取运动扭矩的试验机构.利用该机构在6种不同的模拟月壤中进行不同试验参数的挖取试验后可知,在不同的试验条件下挖取机构承受的扭矩变化趋势大致相同,并能由4个特征点进行描述.4个特征点的取值随试验参数的不同而改变.完成试验后将试验数据进行归一化处理后导入BP神经网络进行学习和训练,建立了以运动参数(运动角度、机构悬挂高度)、模拟月壤类型(内聚力、内摩擦角)、模拟月壤密实程度(容积密度、孔隙度、相对密实度)为输入量,机具承受扭矩为输出量的神经网络模型.通过与实测数据对比可证明本文建立的BP神经网络挖取力学模型具有很高的拟合和预测精度.

       

    • 图  1  模拟表层采样挖取机具

      Fig.  1.  The digging tool of simulated surface sampling

      图  2  试验机具检测控制

      Fig.  2.  Detecting and controlling process of simulated tool

      图  3  CUG_1.50松散型模拟月壤悬挂高度0.193 m的扭矩曲线及特征点划分

      Fig.  3.  Feature points and torque curve of loose CUG_1.50 simulated lunar soil at hanging height of 0.193 m

      图  4  BP神经网络算法结构

      Fig.  4.  Structure of BP neural network algorithm

      图  5  完成学习训练的BP神经网络3种不同的模拟月壤输出数据

      Fig.  5.  Validation between the real data and predict data from trained BP neural network among three different lunar soil simulant

      图  6  模型使用流程

      Fig.  6.  The process of using the model

      表  1  试验所用模拟月壤力学参数

      Table  1.   Mechanical parameters of lunar soil stimulant prepared for the experiments

      模拟月壤力学参数 CUG_0.50 CUG_1.25 CUG_1.50
      松散状态 密实状态 松散状态 密实状态 松散状态 密实状态
      容积密度(kg/m3) 364.000 473.000 1 129.000 1 286.000 1 799.000 1 894.000
      孔隙度(%) 85.000 80.500 55.700 49.500 37.500 34.200
      内聚力(kPa) 4.830 4.830 4.200 4.200 1.680 1.680
      内摩擦角(°) 20.090 20.090 24.820 24.820 26.390 26.390
      相对密实度 0.000 0.472 0.275 0.910 0.914 1.000
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      表  2  模拟试验特征点

      Table  2.   Total feature data at all experiments

      模拟月壤 悬挂高度(m) 起始上扬点 第一峰值点 谷底点 第二峰值点
      类型 状态 位置(°) 值(N·m) 位置(°) 值(N·m) 位置(°) 值(N·m) 值(N·m)
      CUG_0.50 松散型 0.203 59.2 0.012 102.3 0.740 131.7 0.041 0.293
      CUG_0.50 松散型 0.193 63.1 0.064 98.1 1.048 121.8 0.444 0.512
      CUG_0.50 松散型 0.180 62.4 0.079 97.1 1.867 125.7 0.567 0.630
      CUG_0.50 密实型 0.203 62.6 0.003 98.4 1.610 116.0 0.241 0.450
      CUG_0.50 密实型 0.193 58.3 0.027 91.8 2.784 120.1 0.465 0.616
      CUG_0.50 密实型 0.180 57.0 0.089 91.5 4.061 124.6 0.542 0.670
      CUG_1.25 松散型 0.203 65.8 -0.020 104.5 1.307 134.3 0.578 0.754
      CUG_1.25 松散型 0.193 66.3 0.044 93.7 1.669 124.6 0.562 0.800
      CUG_1.25 松散型 0.180 63.9 -0.038 99.2 1.809 133.7 0.678 0.863
      CUG_1.25 密实型 0.203 61.1 0.020 110.0 4.037 172.3 0.851 0.851
      CUG_1.25 密实型 0.193 59.2 0.008 94.5 4.257 120.8 0.695 1.074
      CUG_1.25 密实型 0.180 63.1 0.013 105.4 5.475 132.1 1.008 1.085
      CUG_1.50 松散型 0.203 65.3 -0.036 89.3 1.410 114.3 0.437 0.887
      CUG_1.50 松散型 0.193 69.6 -0.040 95.7 1.815 122.4 0.497 0.810
      CUG_1.50 松散型 0.180 63.9 -0.078 99.0 2.028 124.5 0.677 1.166
      CUG_1.50 密实型 0.203 62.4 -0.090 97.5 3.367 118.8 0.468 0.999
      CUG_1.50 密实型 0.193 60.0 0.021 97.4 4.159 113.1 0.664 1.064
      CUG_1.50 密实型 0.180 58.3 -0.055 90.7 6.933 115.3 1.059 1.355
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      表  3  不同变量的归一化常数

      Table  3.   Normalization constants of different parameters

      参数 归一化常数 参数 归一化常数
      运动角度 180 内聚力 10
      起始高度 1 内摩擦角 100
      容积密度 2 000 相对密实度 1
      孔隙度 100 扭矩 10
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      表  4  BP神经网络评价参数

      Table  4.   Evaluation parameters of BP neural network

      建模阶段 均方差MSE 相关系数R
      学习阶段 1.256×10-4 0.995
      训练验证阶段 1.193×10-4 0.996
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      表  5  模型验证误差对比

      Table  5.   Comparison of model validation errors

      模拟月壤 对比参数 预测 实测 误差(%)
      CUG_0.50 起始上扬点 位置(°) 51.6 63.1 18.2
      CUG_0.50 起始上扬点 值(N·m) 0.056 0.064 12.5
      CUG_0.50 第一峰值点 位置(°) 99.3 98.1 1.2
      CUG_0.50 第一峰值点 值(N·m) 0.985 1.048 6
      CUG_0.50 谷底点 位置(°) 125.1 121.8 2.7
      CUG_0.50 谷底点 值(N·m) 0.413 0.444 7.0
      CUG_0.50 第二峰值点 值(N·m) 0.500 0.512 2.3
      CUG_1.25 起始上扬点 位置(°) 65.7 66.3 0.9
      CUG_1.25 起始上扬点 值(N·m) 0.038 0.044 13.6
      CUG_1.25 第一峰值点 位置(°) 94.6 93.7 1.0
      CUG_1.25 第一峰值点 值(N·m) 1.614 1.669 3.3
      CUG_1.25 谷底点 位置(°) 119.5 124.6 4.1
      CUG_1.25 谷底点 值(N·m) 0.574 0.562 2.1
      CUG_1.25 第二峰值点 值(N·m) 0.751 0.800 6.1
      CUG_1.50 起始上扬点 位置(°) 67.9 69.6 2.4
      CUG_1.50 起始上扬点 值(N·m) -0.046 -0.040 15
      CUG_1.50 第一峰值点 位置(°) 99.3 95.7 3.8
      CUG_1.50 第一峰值点 值(N·m) 1.681 1.815 7.4
      CUG_1.50 谷底点 位置(°) 122.9 122.4 0.4
      CUG_1.50 谷底点 值(N·m) 0.514 0.497 3.4
      CUG_1.50 第二峰值点 值(N·m) 0.753 0.810 7.0
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    出版历程
    • 收稿日期:  2012-12-11
    • 刊出日期:  2013-11-01

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