行星探测车车轮牵引特性试验台设计
孙 鹏1 高 峰1 孙 刚2 赵 斌1
1.北京航空航天大学，北京,100083
2.机械科学研究总院，北京,100044
摘要：基于行星探测车行走机构的特点和地面验证试验的要求，研制了行星探测车车轮牵引特性试验台，介绍了试验台的机械结构及测控系统。试验台针对的车轮直径范围为20~40cm，可施加垂直载荷0~300N，可测量挂钩牵引力0~300N，台车最大线速度为43mm/s，车轮最高转速为9 9r /min 。试验台装备了六分力传感器、垂直电位计、旋转编码器等传感器，保证了试验参数测量的准确性。试验结果表明，该试验台具有较高的测量精度，可以用于轮土交互作用试验研究。
关键词：试验台；行星探测车；车轮；牵引特性
中图分类号:U 467.523;T P306 文章编号: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
基金项目：国家863高技术研究发展计划资助项目(2007A A11Z244)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20070006012)；中国博士后科学基金资助项目(20080430305)
0 引言
月球探测车在松软月面的牵引通过性是中国探月二期工程月面巡视探测器研制中重要的研究内容。国内一些学者利用地面力学理论和数值方法对月球车的牵引通过性进行了初步分析[1 3]
，但这些分析无法替代实际地面验证试验，月球车车轮在松软土壤上的牵引性能需要依靠科学试验进行检验。
在深空探测领域较早开展研究的国家(如美国和日本)都研制有轮土交互作用试验台。美国麻省理工学院设计的行星探测车轮土交互作用试
验台可用于地形参数在线评估方法的研究[4]
；日本东北大学的单轮试验台可应用于探测车刚性轮在松软土壤上的转向特性的分析研究[5]。吉林大学也自行设计了土槽-被试轮试验系统，对刚性
轮和带齿轮的牵引特性进行了测量[6]。结合探测车行走机构的研制需要，我们独立研发了行星探测车车轮牵引特性试验台，并进行了初步的轮土交互作用试验，检验了试验台的设计功能。
1 试验台的设计原则
本试验台的研究对象是行星探测车用车轮。
行星探测车用车轮的结构精密、直径较小、外形多变，这些特点在试验台的设计中要充分考虑。试验台主要由土槽体、机械系统、传感器、数控系统四部分组成。土槽为轮土交互试验研究必备的专用设备，具有影响因素可控、试验重复性好、采集数据准确可靠等优点。结合研究需要，试验台的设计原则如下: 使试验轮工况与实际行走相接近(重力条件暂时无法创造)，尽量降低系统阻力; 合理布置相关传感器以进行精确测量; 满足不同种类科学试验的需要; 简单易行，便于制造、维护，工艺性好; 易于操作，工作安全，经济实用，使用可靠。
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2 试验台的整体结构
根据设计原则，参考国内外相关试验台的设计，最终确定了本试验台的结构方案，如图1所示。试验台的整体尺寸为3m 1 195m 1 1m，槽钢框架固定在土槽体上，台车在水平导轨上移动。台车采用侧面布置的方式，便于车轮的安装和水平角度的观察。土槽一端布置了牵引加载装置，可以通过悬挂一定质量的加载用砝码进行固定牵引载荷的加载，也可以用具有一定刚度的弹
簧连接试验车轮进行变化牵引载荷的加载。
图1 试验台结构示意图
土槽体为槽钢框架，由10mm 厚的钢化玻璃镶嵌而成，用于观察土壤颗粒流动的情况。土槽内装有自行配置的模拟月壤，它是利用吉林靖宇一带的火山灰喷发物质经过曝晒、粉碎、研磨、掺入金刚砂等工序配置而成的，其物理特性和力学特性与典型月壤特性相近，可用于轮土交互试验
研究。
图2 台车结构示意图
图2为试验台车的结构示意图。台车系统是机械部分的关键部件，台车的移动是通过固连在台车上的齿形带的牵引实现的，齿形带在槽钢两端绕过两个滑轮。水平电机(M AXON -RE40)
驱动滑轮，牵引台车系统沿着固定在槽钢支架上的直线导轨水平运动。试验前可在台车侧面加减配重来调节试验轮的垂直载荷。车轮电机(MA XON-RE40)用于驱动车轮旋转，从车轮电机的编码器(H EDL -5540)可以获知车轮的转速。车轮连接端的六分力传感器(Smart300定制)用来测量车轮法向载荷、挂钩牵引力和车轮转矩。滑轮上装备旋转编码器(ISC3806-003G-2500BZ1-5-24F)，用于计算台车的水平速度。车轮的垂直下陷由固定在台车上的垂直电位计进行检测。槽钢框架两端都布置有红外线接近开关(E3F-DS30C4)，控制台车自动停止运行。试验台还可以布置高分辨率摄像头(Uniq UP-800)对轮土交互作用中土壤颗粒的流动情况进行拍摄记录。
3 试验台的测控系统
在试验台测控系统中，控制对象为台车水平运动驱动电机和试验轮驱动电机。由上位机完成台车运动方向和速度、车轮的转动方向和转速的设定，设计了独立的电机控制器，以电机编码器采集的脉冲信号作为反馈输入信号，对电机的运转
速度进行闭环控制。根据采集信号的种类和特点，分别制作了数据采集板对力、转矩、位移、脉冲、接近开关等信号进行采集，并在工控机中实现数据的存储和处理。
为了更为有效而可靠地对各个系统进行控制和信号采集，本试验台采用CA N 总线技术，利用SJA1000型独立CAN 控制器，将计算机、传感器模块、电机控制系统等分别作为一个节点接入CAN 总线，以实现各系统之间的互联。图3为测控系统示意图。
试验台测控系统软件能够设置车轮运行参数，实时显示测量数据，并通过可视化曲线观测特性参数的变化趋势，从而进行直观的对比分析，初步判断试验的有效性。试验结果可以输出到Excel 文件中。测控系统利用C#语言开发，测控系统软件的流程如图4所示。CAN 总线技术的特点使得测控系统软件具有良好的可扩展性，对新加入的传感器节点进行处理非常方便。
4 试验台技术参数和功能
试验台可以进行不同轮齿类型车轮试验，其主要技术指标见表1。
利用试验台，可进行以下研究: 评价不同轮齿类型车轮的牵引特性，进行车轮结构优化; 分
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图3
试验台测控系统示意图
图4 测控系统软件流程图
析轮土交互中土壤的动力学行为; 发展车轮滑转率的控制算法; 对比不同土壤参数下的车轮牵引性能; 进行小型探测车整车通过性的验证试验。
表1 试验台技术指标
序号主要技术指标数值1车轮直径D (cm)20~402车轮宽度B (cm)5~203车轮垂直载荷W (N)0~3004台车最大移动速度v max (m m/s)
435车轮转速n (r/min)0~9.96台车、车轮电机额定功率P (W )
1507车轮转矩T (N m)0~308挂钩牵引力F d
(N)0~3009
移动块垂直行程L (mm)
0~200
5 典型试验结果
加工了三种试验用钢结构车轮：光轮、筛网轮和带齿轮。车轮直径为220mm ，在光轮表面覆盖铝网可制成筛网轮，光轮上安装轮齿可制成带齿轮。所用的轮齿齿高为25mm，齿厚为2mm 。安
装履齿个数可为9齿或18齿(图5中带齿轮为9齿)。试验前进行土壤的疏松、压实和刮平。通过土力学仪器测量和调整控制模拟月壤的孔隙比在0 8~1 0之间，然后开始进行试验。
图5所示为车轮垂直载荷为130N，车轮电机主动，车轮转速为5r/min 的情况下，测得的三种
车轮的挂钩牵引力F d 随滑转率S r 变化的拟合曲线。车轮滑转率的定义为
S r =1-v/(r )
(1)
式中,v 为台车线速度;r 为车轮有效半径; 为车轮角
速度。
图5 三种车轮的F d -S r 曲线
由图5可见，随着滑转率S r 的增大，三种车轮的F d 值都随之增大。在相同S r 的情况下，带齿轮的F
d 值最大，体现出轮齿的拨土作用对F d 的贡献。因车轮转速较低，筛网轮和光轮在低滑转的情况下F d 值相差不多，但达到高滑转率时，筛网轮显示出其表面摩擦因数大的优势,F d 值有明显提高。
图6所示为车轮垂直载荷为130N ，车轮电机主动，车轮转速为7 5r/min 的情况下，筛网轮的
挂钩牵引力F d 和车轮垂直下陷量Z 随牵引距离L 的变化曲线。随着牵引距离的增大，弹簧施加的牵引载荷也越来越大，所测的F d 值也在不断增大。另外，在最初行驶阶段垂直下陷量较小，当达
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到一定行驶距离后下陷量迅速增大，这是因为最初行驶阶段车轮滑转较小，车轮正常运行，下陷较小；当车轮运行到一定距离后，为产生更大的牵引力来克服牵引载荷，车轮滑转明显增大，呈现明显的掘土行为,
导致车轮下陷量急剧增大。
图6 筛网轮的F d 和Z 随牵引距离L 的变化曲线
图7所示为带齿轮运行后的轮齿轨迹。其中，图7a 和图7b 分别是带齿轮以70%和20%的滑转率运行过后的轨迹，可以观察到车轮以高滑
转率驶过后因轮齿触土较深、掘土严重，土壤被扰动的程度变大。图7c 所示为变牵引载荷下带齿轮滑转率逐步增大引起的土壤破坏的情况，可看出，车轮发生严重滑转时会失去向前行驶的能力，车轮动态下陷量骤增,
车轮后方严重积土。
(a)S r =
70%
(b)S r =
20%
(c)滑转率S r 持续增大图7 车辙与土壤破坏情况
6 结语
研制了行星探测车车轮牵引特性试验台，用于分析轮土交互作用、测量探测车车轮的牵引性能以及发展滑转率控制算法。利用商业传感器对车轮的垂直载荷、挂钩牵引力、车轮下陷量、车轮转速等相关参数进行测量，分析了轮土试验数据，验证了试验台的设计基本满足车轮牵引特性和轮土交互作用试验研究的需要。
在嫦娥一期工程取得圆满成功、二期工程正式立项的大背景下，行星探测车车轮牵引特性试验台的建成为深空探测车行走机构的设计和优化
提供了重要的试验手段。
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(编辑 苏卫国)
作者简介：孙 鹏，男,1980年生。北京航空航天大学交通科学与工程学院博士后研究人员。研究方向为深空探测车辆地面力学、轮土交互作用数值仿真。发表论文8篇。高 峰，男,1955年生。北京航空航天大学交通科学与工程学院教授、博士研究生导师。孙 刚，男,1974年生。机械科学研究总院中机生产力促进中心工程师。赵 斌，男,1983年生。北京航空航天大学交通科学与工程学院博士研究生。
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