車輛地面力學(xué)土槽試驗技術(shù)研究進(jìn)展

田小鋒，姜樂華，聶曉輝

（國防科技大學(xué) 交通運輸工程系，長沙 410072）

車輛地面力學(xué)是研究越野行駛中機器與地面相互作用的一門力學(xué)學(xué)科［1］，研究內(nèi)容包括對機器通過性的預(yù)測和評價，行走機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計以及對地面可行駛性的預(yù)測判斷等幾個方面。車輛地面力學(xué)從一開始就是一門試驗與理論并重的學(xué)科［2］，利用室內(nèi)土槽進(jìn)行模型試驗是車輛地面力學(xué)非常重要的研究手段。土槽試驗的作用［3］是研究土壤的行駛性，測定不同行走機構(gòu)的滾動阻力、牽引力、行駛的滑轉(zhuǎn)率、牽引效率與接地面積、接地比壓及其在土壤中的下陷量等參數(shù)，研究行走機構(gòu)與土壤的相互作用機理，從而優(yōu)化行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸，為車輛的設(shè)計和改進(jìn)提供參考數(shù)據(jù)。

土槽試驗不受外界自然條件的影響，易于控制試驗參數(shù)和試驗條件，具有較高的測試精度及良好的重復(fù)性和可對比性，大大縮短研究周期，加快研究進(jìn)度，為推動車輛地面力學(xué)的研究發(fā)揮了重要的作用。然而，迄今為止國內(nèi)外對于土槽試驗技術(shù)的系統(tǒng)性的專項研究未見公開報道。因此，本文開展的土槽試驗技術(shù)研究工作對車輛地面力學(xué)研究具有重要的參考價值和指導(dǎo)意義。

1 國內(nèi)外典型土槽試驗系統(tǒng)最新進(jìn)展

從1889年“土槽”概念模型的提出［4］到 20世紀(jì)末，國內(nèi)外土槽試驗研究主要集中在農(nóng)田機械和越野車輛等領(lǐng)域進(jìn)行，其發(fā)展歷程詳見文獻(xiàn)［5］的報道。21世紀(jì)初，世界各國掀起了新一輪行星探測熱潮。車輪與松軟土壤相互作用的地面力學(xué)被廣泛應(yīng)用于行星探測車結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能評價、仿真分析等諸多方面，是目前深空探測的一個研究熱點和難點。由于實車實地試驗條件不具備，土槽試驗是目前研究行星探測車輛輪地作用特性唯一有效的試驗手段。國外行星探測活動開展較早，土槽試驗研究的經(jīng)驗相對成熟，從20世紀(jì)90年代末開始許多單位就相繼開發(fā)了具有較高精度的行星探測專用土槽試驗系統(tǒng)，并廣泛開展了試驗和理論研究。國內(nèi)行星探測活動相對滯后，專用土槽試驗系統(tǒng)是隨著“嫦娥探月工程”的實施于最近幾年才逐步建立起來的，目前公開報道建有深空探測專用土槽試驗系統(tǒng)的只有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)和北京航空航天大學(xué)等三所高校。專用土槽試驗系統(tǒng)在行星探測研究中的應(yīng)用代表了目前土槽試驗技術(shù)發(fā)展的最高水平。因此本文首先將選取國內(nèi)外具有代表性的土槽試驗系統(tǒng)進(jìn)行重點介紹。

1.1 日本東北大學(xué)土槽試驗系統(tǒng)

1996年，為了適應(yīng)無人控制中小型行星探測車的研究需要，日本東北（Tohoku）大學(xué)空間機器人實驗室（SRL）在日本空間發(fā)展研究所（NASDA）、航空航天實驗室（NAL）和宇航協(xié)會（ISAS）等機構(gòu)的聯(lián)合支持下，開發(fā)了輪地相互作用測試系統(tǒng)［6］（見圖1）。該系統(tǒng)主要由驅(qū)動單元、傳動單元及數(shù)據(jù)采集傳感器組成，可分別進(jìn)行車輪前進(jìn)和側(cè)偏力學(xué)性能測試；通過在車輪上安裝應(yīng)力傳感器可進(jìn)行應(yīng)力分布測量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行土壤參數(shù)的估計［7］。該實驗室還研制了多種整車測試系統(tǒng)，用于整個探測車基于滑轉(zhuǎn)率的控制和動力學(xué)研究；不僅可以分析整車運動過程中的力學(xué)特性和爬坡性能，還可進(jìn)行整車轉(zhuǎn)向的力學(xué)性能分析和試驗［8，9］。

1.2 美國卡內(nèi)基—梅隆大學(xué)土槽試驗系統(tǒng)

1997年，在NASA “南極隕石搜索計劃”（ANSMET）的支持下，美國卡內(nèi)基—梅隆大學(xué)（CMU）機器人學(xué)院的Apostolopoulos等人以行星探測原型機器人“Nomad”的車輪為研究對象，設(shè)計制造了車輪作圓周運動的正多邊形的單輪土槽測試臺（見圖2），用以試驗?zāi)M車輪在星體表面松軟地形環(huán)境的移動性能［10］。測試臺中央是一個集電環(huán)，通過兩個平行連桿機構(gòu)連接車輪，為車輪供電并調(diào)節(jié)控制信號。該裝置可以用來測量車輪持續(xù)工作和跨越障礙的驅(qū)動功率以及車輪驅(qū)動單元的耐久性，同時可預(yù)測輪齒效應(yīng)和重復(fù)通過對車輪移動性能的影響［11］。

1.3 美國麻省理工學(xué)院土槽試驗系統(tǒng)

2001年，在 NASA “火星基礎(chǔ)技術(shù)計劃”（MBTP）的資助下，美國麻省理工學(xué)院（MIT）野外和空間機器人實驗室 （FSRL）Iagnemma 博士等人［12，13］完成了“Rocky”系列探測車的車輪運動性能測試系統(tǒng)（見圖3）。該測試臺可測量車輪行駛過程中的掛鉤牽引力、車輪下陷量、車輪的滑轉(zhuǎn)率以及前進(jìn)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩等參量，根據(jù)這些參數(shù)可以動態(tài)地估測土壤的力學(xué)特性參數(shù)；通過協(xié)調(diào)控制車輪轉(zhuǎn)動速度和托架的水平移動速度可以進(jìn)行車輪滑轉(zhuǎn)率控制［14］；可使用圖像處理技術(shù)進(jìn)行車輪沉陷量的測量；同時可對安裝多個輪齒的金屬車輪的行走性能進(jìn)行試驗和分析［15］。

1.4 吉林大學(xué)土槽試驗系統(tǒng)

2007年，為測試月面探測車輛的牽引性能及通過性能，吉林大學(xué)地面機械仿生技術(shù)實驗室自行設(shè)計了月壤—車輪土槽試驗系統(tǒng)［5，16］（見圖 4）。 試驗機由EDC100根據(jù)電控箱發(fā)出的命令控制主機被試輪系臺架的前后移動，能提供試驗過程中需要的加載和卸載行為。土槽臺架系統(tǒng)可以適應(yīng)不同寬度和直徑的車輪，可對有刺輪車輪與光滑車輪的牽引性能進(jìn)行對比試驗［17］；還具有可變角度的功能，可測量出車輪所能克服的上坡路、傾斜地和斜坡的最大角度［18］。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面采用可更換的正面?zhèn)缺诎澹员惆惭b觀測窗或瞬態(tài)測量土體變形用的透明網(wǎng)格板材。

2 土槽試驗技術(shù)發(fā)展趨勢

土槽試驗技術(shù)是隨著車輛地面力學(xué)的研究而不斷發(fā)展成熟的，發(fā)展歷史較長，應(yīng)用領(lǐng)域較廣。未來隨著車輛地面力學(xué)研究領(lǐng)域的拓展和深入，以及計算機技術(shù)、測試技術(shù)、自動控制技術(shù)和機械制造技術(shù)等科技的發(fā)展和進(jìn)步，土槽試驗技術(shù)的應(yīng)用水平必將不斷提高和完善，其發(fā)展趨勢具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1土槽試驗的測試功能更加完善

為滿足不同種類科學(xué)試驗的需要，關(guān)于輪地作用特性的測量參數(shù)也將越來越多，土槽試驗必須具備同時測量多種車輪力學(xué)參量并驗證建立的車輪力學(xué)模型的功能。除了目前普遍可測量的車輪牽引性能以外，還要能夠測量車輪的側(cè)偏性能、轉(zhuǎn)向性能、越障性能、爬坡性能、抗側(cè)滑性能等力學(xué)特性，以便模擬車輛在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中克服幾何障礙而正常通過各種地面和地形的行駛能力。

2.2 土槽試驗測得的數(shù)據(jù)更加精確

通過提高制造工藝和應(yīng)用新型材料，土槽試驗系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及測試精度將會不斷提升。通過配備各種精密傳感器，可精確測量包括掛鉤牽引力、側(cè)向力、車輪滑轉(zhuǎn)率、沉陷量等測試參數(shù)。試驗臺測控系統(tǒng)軟件能夠精確設(shè)置車輪運行參數(shù)，實時顯示測量數(shù)據(jù)，并通過可視化曲線觀測特性參數(shù)的變化趨勢，從而進(jìn)行直觀的對比分析，確保數(shù)據(jù)的客觀、準(zhǔn)確。

2.3 土槽試驗的研究手段更加豐富

單憑土槽試驗方法不能直觀追蹤輪地接觸的動態(tài)變化過程進(jìn)而無法深入研究車輛與地面相互作用的微觀機理。而許多用試驗方法難以解決的問題可以借助于數(shù)值模擬法來解決，包括有限差分法、有限元法、邊界元法和離散元法等。正確的數(shù)值仿真模型可以快速、經(jīng)濟的預(yù)測試驗結(jié)果，有助于更好的控制試驗條件，提高試驗過程的針對性；而客觀的土槽試驗數(shù)據(jù)又可以驗證和修正數(shù)值仿真模型。通過與數(shù)值模擬方法有機結(jié)合起來，土槽試驗可以解決更加微觀、更加復(fù)雜的問題。

2.4 土槽試驗的流程更加智能化

通過大規(guī)模集成電路技術(shù)的應(yīng)用，可將整個試驗系統(tǒng)的電路集成于以PLC為核心的電控系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，實現(xiàn)自動檢測試驗參數(shù)和加載條件，自動進(jìn)行土壤整備及恢復(fù)處理，也能自動定位和自動控制行程，必要時自動報警。可以通過開發(fā)土槽試驗專用軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對土槽試驗全過程的自動監(jiān)測和控制。到一定階段，甚至實現(xiàn)無人操控、全自動的試驗過程：只要設(shè)定好試驗?zāi)繕?biāo)，土槽試驗系統(tǒng)就可以在軟硬件系統(tǒng)的密切配合下，自動進(jìn)行數(shù)據(jù)實時處理，自動得出試驗結(jié)果報告。從而節(jié)省人力物力，極大地提高試驗效率。

3 我國土槽試驗技術(shù)研究的不足與建議

通過對比分析國內(nèi)外土槽試驗技術(shù)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合土槽試驗技術(shù)的未來發(fā)展趨勢，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)目前的土槽試驗研究無論是土槽軟硬件系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計還是土槽試驗的測試手段等方面都尚不完善，具體從以下幾點進(jìn)行分析并提出建議。

3.1 土槽試驗裝置結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計不合理

相比于國外同類土槽設(shè)備，我國目前使用的多是較大型的土槽，結(jié)構(gòu)笨重、占地面積大，而且用土量多，人力成本高，能耗大，噪聲污染嚴(yán)重，不便于反復(fù)多次的進(jìn)行精密土力學(xué)細(xì)觀研究。因此在滿足研究要求的前提下，盡可能開發(fā)結(jié)構(gòu)精巧、緊湊的小型土槽試驗裝置。另外，野外條件下的車輪運行工況和路面狀況是比較復(fù)雜的，而目前國內(nèi)的土槽試驗裝置只能適應(yīng)車輪緩慢勻速直行、側(cè)偏或者爬坡等常見工況下的試驗條件，模擬路面條件也多是由火山灰或干沙組成的彈塑性路面，造成了土槽試驗功能設(shè)計的局限性。所以，應(yīng)該結(jié)合實際使用環(huán)境，針對車輪工況和路面條件的多樣性開發(fā)多功能的土槽試驗裝置。

3.2 土槽測控系統(tǒng)兼容性和擴展性較差

測控系統(tǒng)功能單一，操作較復(fù)雜，再開發(fā)空間小；同時數(shù)據(jù)實時采集與處理能力比較弱，測試效果較差。因此，可以采用模塊化設(shè)計思想，實現(xiàn)各硬件系統(tǒng)之間的互聯(lián)，同時需要開發(fā)具有良好可靠性和穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)處理軟件。通過軟硬件密切配合，提高系統(tǒng)的兼容性和擴展性，便于后續(xù)研究中系統(tǒng)的升級和改造。

3.3 土槽試驗的自動化程度還不夠高

多數(shù)研究單位仍采用早些年代的土槽設(shè)備或在其基礎(chǔ)上做出部分改進(jìn)，需要實驗人自己配備傳感器和計算機等硬件設(shè)備、編寫數(shù)據(jù)采集和處理的軟件，試驗需要多人配合才能完成。因此需要研制集計算機技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、新型電測技術(shù)、遠(yuǎn)程遙控技術(shù)各種新技術(shù)為一體的新型土槽試驗平臺及其測控系統(tǒng)，提高土槽試驗的自動化程度。

3.4 土槽試驗中未采取信號屏蔽措施

未來包括微電子技術(shù)、無線電遙控技術(shù)、信號實時處理技術(shù)等新技術(shù)在土槽試驗中的普及應(yīng)用，對土槽試驗的信號抗干擾能力將提出越來越高的要求。因此，應(yīng)該對測控儀器、被測機件和電纜等設(shè)備采取信號屏蔽措施，排除隨機信號的干擾，保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.5 未開發(fā)土槽試驗配套的仿真軟件

國外研究者很早就開發(fā)了與土槽試驗配套的專用仿真軟件并采取技術(shù)保護(hù)，如Schmid等開發(fā)的VENUS和AESCO與德國漢堡大學(xué)開發(fā)的ASSTM軟件。而國內(nèi)土槽試驗研究這么多年，一直未能自主開發(fā)相應(yīng)配套軟件以便與試驗方法結(jié)合起來研究，阻礙了土槽試驗技術(shù)的深入發(fā)展。國內(nèi)研究者在進(jìn)行土槽試驗研究的同時要注重仿真軟件的自主開發(fā)，形成自身獨立的研究體系。

4 結(jié)論

通過近一百年的發(fā)展，土槽試驗技術(shù)在車輛地面力學(xué)中的應(yīng)用已從傳統(tǒng)的越野行駛領(lǐng)域延伸到目前的行星探測熱點領(lǐng)域。隨著科技的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣埂Ｈ绾瓮晟仆敛墼囼灱夹g(shù)以不斷適應(yīng)車輛地面力學(xué)研究的需要，是一個富有挑戰(zhàn)性的課題。本文緊跟國際前沿，在綜述國內(nèi)外典型土槽試驗系統(tǒng)最新研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，指出了土槽試驗技術(shù)的發(fā)展趨勢，進(jìn)而結(jié)合國內(nèi)實際情況分析了我國土槽試驗技術(shù)研究的不足，并提出了合理可行的改進(jìn)建議，希望能對我國車輛地面力學(xué)的相關(guān)研究起到一定的參考作用。

［1］ 張克健．車輛地面力學(xué)［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2002．

［2］孫剛，高峰，李雯．地面力學(xué)及其在行星探測研究中的應(yīng)用［J］．力學(xué)進(jìn)展，2007，37 （3）：453-464．

［3］任露泉，賈陽，李建橋，等．月球車行走性能地面模擬試驗方案設(shè)想［C］．中國宇航學(xué)會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會第二屆學(xué)術(shù)年會，北京，2005（10）：458-466．

［4］ Hansen PD.Advance in Soil Dynamics Vol.1 ［M］.The Society for Engineering in Agricultural，F(xiàn)ood and Biological Systems ASAE Monograph Number 12 Published by Amer ican Society of Agricultural Engineers，1994.

［5］馬文哲．月壤-車輪土槽試驗系統(tǒng)精度的研究［D］．吉林：吉林大學(xué)，2008．

［6］ Yoshida K，Shiwa T.Development of a Research Testbed for Exploration Rover at Tohoku University ［J］.Journal of Space Technology and Science，1996，12 （1）： 9-16.

［7］池田禮子．応力測定とスリップ測定をもとにした車輪型砂上移動ロボットの駆動力発生モデルの構(gòu)築［D］．日本仙臺：東北大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009：44-48．

［8］三輪章子．テラメカニクスに基づく月﹒惑星探査ローバーの走行力學(xué)解析［D］．日本仙臺：東北大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005：35-45．

［9］ Ishigami G，Miwa A，Nagatani K，et al.Terramechanicsbased Model for Steering Maneuver of Planetary Explora tion Rovers on Loose Soil ［J］.Journal of Field Robotics，2007，24 （3）： 233-250.

［10］ Shamah B，Apostolopoulos D，Rollins E，et al.Field validation of Nomad’s robotic locomotion［C］.Proceedings of the 1998 SPIE International Conference on Mobile Robots and Intelligent Transportation Systems，Boston，1998：214-222.

［11］ Apostolopoulos D S.Analytical Configuration of Wheeled Robotics Locomotion ［R］.The Robotics Institute of Carnegie Mellon University Technical Report CMU-RITR-01-08，2001： 40-65.

［12］ Iagnemma K，Shibly H，Rzepniewski A，et al.Planning and Control Algorithms for Enhanced Rough-Terrain Rover Mobility［R］.Proc.of the 6th International Symposium on Artificial Intelligence and Robotics&Automation in Space，2001 （6）： 18-22.

［13］ Iagnemma K，Dubowsky S.Terrain Estimation for High Speed Rough Terrain Autonomous Vehicle Navigation［C］.Proc.SPIEConf on Unmanned Ground Vehicle Technolo-gy IV，2002（8）： 343-351.

［14］ Iagnemma K.A Laboratory Single Wheel Testbed for Studying Planetary Rover Wheel-Terrain Interaction［R］.Technical Report 01-05-05，MIT Field and Space Robotics Laboratory，2005： 2-9.

［15］ Brooks C A，Iagnemma K，Dubowsky S.Visual Wheel Sinkage Measurement for Planetary Rover Mobility Char acterization［J］.Autonomous Robotics，2006 （21）： 55-64.

［16］鄒猛．月面探測車輛驅(qū)動輪牽引性能研究［D］．吉林：吉林大學(xué)，2008．

［17］鄒猛，張金換，任露泉，等．月球車驅(qū)動輪牽引性能研究［J］．宇航學(xué)報，2009，30 （1）：98-103．

［18］鄒猛．基于模擬月壤的輪壤關(guān)系研究［D］．吉林：吉林大學(xué)，2010．