行星探測車車輪牽引特性試驗臺設計
孫 鵬1 高 峰1 孫 剛2 趙 斌1
1.北京航空航天大學，北京,100083
2.機械科學研究總院，北京,100044
摘要：基于行星探測車行走機構的特點和地面驗證試驗的要求，研制了行星探測車車輪牽引特性試驗臺，介紹了試驗臺的機械結構及測控系統。試驗臺針對的車輪直徑范圍為20~40cm，可施加垂直載荷0~300N，可測量掛鉤牽引力0~300N，臺車最大線速度為43mm/s，車輪最高轉速為9 9r /min 。試驗臺裝備了六分力傳感器、垂直電位計、旋轉編碼器等傳感器，保證了試驗參數測量的準確性。試驗結果表明，該試驗臺具有較高的測量精度，可以用于輪土交互作用試驗研究。
關鍵詞：試驗臺；行星探測車；車輪；牽引特性
中圖分類號:U 467.523;T P306 文章編號:1004 132X(2009)05 0505 04
Design of Tractive Characteristic Test -bed of Planetary Rover Wheel
Sun Peng 1 Gao Feng 1 Sun Gang 2 Zhao Bin
1
1.Beihang U niv ersity ,Beijing,100083
2.China A cademy of M achinery Science &Technolog y,Beijing,100044
Abstract :Accor ding to the char acteristics of planetary ro ver s travel mechanism and the require -m ents of validation test on g round,the test-bed for tractive per for mance of w heel of planetary ro ver w as designed and m anufactured.T he machine mechanism,measurem ent and control sy stem w ere introduced.The test-bed is desig ned for 20~40cm diameter w heels,vertical loads in the 0~300N rang e,dr aw bar pull forces ranging fro m 0to 300N,linear velocity up to 43mm /c,and w heel rota -ting speed up to 9 9r/m in.Several nsors were mo unted such as six -ax is fo rce/torque nsor,potentiom eter,enco der and so on,to ensure the v er acity of desirable parameters.T he experimental results show that the test-bed can g et fairly accurate result and can be applied to the ex periments of w heel-soil interaction.
Key words :test-bed;planetary rov er;w heel;tractive characteristics
收稿日期:2008 04 09
基金項目：國家863高技術研究發展計劃資助項目(2007A A11Z244)；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20070006012)；中國博士后科學基金資助項目(20080430305)
0 引言
月球探測車在松軟月面的牽引通過性是中國探月二期工程月面巡視探測器研制中重要的研究內容。國內一些學者利用地面力學理論和數值方法對月球車的牽引通過性進行了初步分析[1 3]
，但這些分析無法替代實際地面驗證試驗，月球車車輪在松軟土壤上的牽引性能需要依靠科學試驗進行檢驗。
在深空探測領域較早開展研究的國家(如美國和日本)都研制有輪土交互作用試驗臺。美國麻省理工學院設計的行星探測車輪土交互作用試
驗臺可用于地形參數在線評估方法的研究[4]
；日本東北大學的單輪試驗臺可應用于探測車剛性輪在松軟土壤上的轉向特性的分析研究[5]。吉林大學也自行設計了土槽-被試輪試驗系統，對剛性
輪和帶齒輪的牽引特性進行了測量[6]。結合探測車行走機構的研制需要，我們獨立研發了行星探測車車輪牽引特性試驗臺，并進行了初步的輪土交互作用試驗，檢驗了試驗臺的設計功能。
1 試驗臺的設計原則
本試驗臺的研究對象是行星探測車用車輪。
行星探測車用車輪的結構精密、直徑較小、外形多變，這些特點在試驗臺的設計中要充分考慮。試驗臺主要由土槽體、機械系統、傳感器、數控系統四部分組成。土槽為輪土交互試驗研究必備的專用設備，具有影響因素可控、試驗重復性好、采集數據準確可靠等優點。結合研究需要，試驗臺的設計原則如下: 使試驗輪工況與實際行走相接近(重力條件暫時無法創造)，盡量降低系統阻力; 合理布置相關傳感器以進行精確測量; 滿足不同種類科學試驗的需要; 簡單易行，便于制造、維護，工藝性好; 易于操作，工作安全，經濟實用，使用可靠。
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2 試驗臺的整體結構
根據設計原則，參考國內外相關試驗臺的設計，最終確定了本試驗臺的結構方案，如圖1所示。試驗臺的整體尺寸為3m 1 195m 1 1m，槽鋼框架固定在土槽體上，臺車在水平導軌上移動。臺車采用側面布置的方式，便于車輪的安裝和水平角度的觀察。土槽一端布置了牽引加載裝置，可以通過懸掛一定質量的加載用砝碼進行固定牽引載荷的加載，也可以用具有一定剛度的彈
簧連接試驗車輪進行變化牽引載荷的加載。
圖1 試驗臺結構示意圖
土槽體為槽鋼框架，由10mm 厚的鋼化玻璃鑲嵌而成，用于觀察土壤顆粒流動的情況。土槽內裝有自行配置的模擬月壤，它是利用吉林靖宇一帶的火山灰噴發物質經過曝曬、粉碎、研磨、摻入金剛砂等工序配置而成的，其物理特性和力學特性與典型月壤特性相近，可用于輪土交互試驗
研究。
圖2 臺車結構示意圖
圖2為試驗臺車的結構示意圖。臺車系統是機械部分的關鍵部件，臺車的移動是通過固連在臺車上的齒形帶的牽引實現的，齒形帶在槽鋼兩端繞過兩個滑輪。水平電機(M AXON -RE40)
驅動滑輪，牽引臺車系統沿著固定在槽鋼支架上的直線導軌水平運動。試驗前可在臺車側面加減配重來調節試驗輪的垂直載荷。車輪電機(MA XON-RE40)用于驅動車輪旋轉，從車輪電機的編碼器(H EDL -5540)可以獲知車輪的轉速。車輪連接端的六分力傳感器(Smart300定制)用來測量車輪法向載荷、掛鉤牽引力和車輪轉矩。滑輪上裝備旋轉編碼器(ISC3806-003G-2500BZ1-5-24F)，用于計算臺車的水平速度。車輪的垂直下陷由固定在臺車上的垂直電位計進行檢測。槽鋼框架兩端都布置有紅外線接近開關(E3F-DS30C4)，控制臺車自動停止運行。試驗臺還可以布置高分辨率攝像頭(Uniq UP-800)對輪土交互作用中土壤顆粒的流動情況進行拍攝記錄。
3 試驗臺的測控系統
在試驗臺測控系統中，控制對象為臺車水平運動驅動電機和試驗輪驅動電機。由上位機完成臺車運動方向和速度、車輪的轉動方向和轉速的設定，設計了獨立的電機控制器，以電機編碼器采集的脈沖信號作為反饋輸入信號，對電機的運轉
速度進行閉環控制。根據采集信號的種類和特點，分別制作了數據采集板對力、轉矩、位移、脈沖、接近開關等信號進行采集，并在工控機中實現數據的存儲和處理。
為了更為有效而可靠地對各個系統進行控制和信號采集，本試驗臺采用CA N 總線技術，利用SJA1000型獨立CAN 控制器，將計算機、傳感器模塊、電機控制系統等分別作為一個節點接入CAN 總線，以實現各系統之間的互聯。圖3為測控系統示意圖。
試驗臺測控系統軟件能夠設置車輪運行參數，實時顯示測量數據，并通過可視化曲線觀測特性參數的變化趨勢，從而進行直觀的對比分析，初步判斷試驗的有效性。試驗結果可以輸出到Excel 文件中。測控系統利用C#語言開發，測控系統軟件的流程如圖4所示。CAN 總線技術的特點使得測控系統軟件具有良好的可擴展性，對新加入的傳感器節點進行處理非常方便。
4 試驗臺技術參數和功能
試驗臺可以進行不同輪齒類型車輪試驗，其主要技術指標見表1。
利用試驗臺，可進行以下研究: 評價不同輪齒類型車輪的牽引特性，進行車輪結構優化; 分
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圖3
試驗臺測控系統示意圖
圖4 測控系統軟件流程圖
析輪土交互中土壤的動力學行為; 發展車輪滑轉率的控制算法; 對比不同土壤參數下的車輪牽引性能; 進行小型探測車整車通過性的驗證試驗。
表1 試驗臺技術指標
序號主要技術指標數值1車輪直徑D (cm)20~402車輪寬度B (cm)5~203車輪垂直載荷W (N)0~3004臺車最大移動速度v max (m m/s)
435車輪轉速n (r/min)0~9.96臺車、車輪電機額定功率P (W )
1507車輪轉矩T (N m)0~308掛鉤牽引力F d
(N)0~3009
移動塊垂直行程L (mm)
0~200
5 典型試驗結果
加工了三種試驗用鋼結構車輪：光輪、篩網輪和帶齒輪。車輪直徑為220mm ，在光輪表面覆蓋鋁網可制成篩網輪，光輪上安裝輪齒可制成帶齒輪。所用的輪齒齒高為25mm，齒厚為2mm 。安
裝履齒個數可為9齒或18齒(圖5中帶齒輪為9齒)。試驗前進行土壤的疏松、壓實和刮平。通過土力學儀器測量和調整控制模擬月壤的孔隙比在0 8~1 0之間，然后開始進行試驗。
圖5所示為車輪垂直載荷為130N，車輪電機主動，車輪轉速為5r/min 的情況下，測得的三種
車輪的掛鉤牽引力F d 隨滑轉率S r 變化的擬合曲線。車輪滑轉率的定義為
S r =1-v/(r )
(1)
式中,v 為臺車線速度;r 為車輪有效半徑; 為車輪角
速度。
圖5 三種車輪的F d -S r 曲線
由圖5可見，隨著滑轉率S r 的增大，三種車輪的F d 值都隨之增大。在相同S r 的情況下，帶齒輪的F
d 值最大，體現出輪齒的撥土作用對F d 的貢獻。因車輪轉速較低，篩網輪和光輪在低滑轉的情況下F d 值相差不多，但達到高滑轉率時，篩網輪顯示出其表面摩擦因數大的優勢,F d 值有明顯提高。
圖6所示為車輪垂直載荷為130N ，車輪電機主動，車輪轉速為7 5r/min 的情況下，篩網輪的
掛鉤牽引力F d 和車輪垂直下陷量Z 隨牽引距離L 的變化曲線。隨著牽引距離的增大，彈簧施加的牽引載荷也越來越大，所測的F d 值也在不斷增大。另外，在最初行駛階段垂直下陷量較小，當達
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到一定行駛距離后下陷量迅速增大，這是因為最初行駛階段車輪滑轉較小，車輪正常運行，下陷較小；當車輪運行到一定距離后，為產生更大的牽引力來克服牽引載荷，車輪滑轉明顯增大，呈現明顯的掘土行為,
導致車輪下陷量急劇增大。
圖6 篩網輪的F d 和Z 隨牽引距離L 的變化曲線
圖7所示為帶齒輪運行后的輪齒軌跡。其中，圖7a 和圖7b 分別是帶齒輪以70%和20%的滑轉率運行過后的軌跡，可以觀察到車輪以高滑
轉率駛過后因輪齒觸土較深、掘土嚴重，土壤被擾動的程度變大。圖7c 所示為變牽引載荷下帶齒輪滑轉率逐步增大引起的土壤破壞的情況，可看出，車輪發生嚴重滑轉時會失去向前行駛的能力，車輪動態下陷量驟增,
車輪后方嚴重積土。
(a)S r =
70%
(b)S r =
20%
(c)滑轉率S r 持續增大圖7 車轍與土壤破壞情況
6 結語
研制了行星探測車車輪牽引特性試驗臺，用于分析輪土交互作用、測量探測車車輪的牽引性能以及發展滑轉率控制算法。利用商業傳感器對車輪的垂直載荷、掛鉤牽引力、車輪下陷量、車輪轉速等相關參數進行測量，分析了輪土試驗數據，驗證了試驗臺的設計基本滿足車輪牽引特性和輪土交互作用試驗研究的需要。
在嫦娥一期工程取得圓滿成功、二期工程正式立項的大背景下，行星探測車車輪牽引特性試驗臺的建成為深空探測車行走機構的設計和優化
提供了重要的試驗手段。
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(編輯 蘇衛國)
作者簡介：孫 鵬，男,1980年生。北京航空航天大學交通科學與工程學院博士后研究人員。研究方向為深空探測車輛地面力學、輪土交互作用數值仿真。發表論文8篇。高 峰，男,1955年生。北京航空航天大學交通科學與工程學院教授、博士研究生導師。孫 剛，男,1974年生。機械科學研究總院中機生產力促進中心工程師。趙 斌，男,1983年生。北京航空航天大學交通科學與工程學院博士研究生。
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