田小鋒，姜樂華，聶曉輝

（國(guó)防科技大學(xué) 交通運(yùn)輸工程系，長(zhǎng)沙 410072）

車輛地面力學(xué)是研究越野行駛中機(jī)器與地面相互作用的一門力學(xué)學(xué)科［1］，研究?jī)?nèi)容包括對(duì)機(jī)器通過性的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，行走機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及對(duì)地面可行駛性的預(yù)測(cè)判斷等幾個(gè)方面。車輛地面力學(xué)從一開始就是一門試驗(yàn)與理論并重的學(xué)科［2］，利用室內(nèi)土槽進(jìn)行模型試驗(yàn)是車輛地面力學(xué)非常重要的研究手段。土槽試驗(yàn)的作用［3］是研究土壤的行駛性，測(cè)定不同行走機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)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(jī)構(gòu)與土壤的相互作用機(jī)理，從而優(yōu)化行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸，為車輛的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考數(shù)據(jù)。

土槽試驗(yàn)不受外界自然條件的影響，易于控制試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)條件，具有較高的測(cè)試精度及良好的重復(fù)性和可對(duì)比性，大大縮短研究周期，加快研究進(jìn)度，為推動(dòng)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(guó)內(nèi)外對(duì)于土槽試驗(yàn)技術(shù)的系統(tǒng)性的專項(xiàng)研究未見公開報(bào)道。因此，本文開展的土槽試驗(yàn)技術(shù)研究工作對(duì)車輛地面力學(xué)研究具有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 國(guó)內(nèi)外典型土槽試驗(yàn)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(guó)內(nèi)外土槽試驗(yàn)研究主要集中在農(nóng)田機(jī)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(bào)道。21世紀(jì)初，世界各國(guó)掀起了新一輪行星探測(cè)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(cè)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)、仿真分析等諸多方面，是目前深空探測(cè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。由于實(shí)車實(shí)地試驗(yàn)條件不具備，土槽試驗(yàn)是目前研究行星探測(cè)車輛輪地作用特性唯一有效的試驗(yàn)手段。國(guó)外行星探測(cè)活動(dòng)開展較早，土槽試驗(yàn)研究的經(jīng)驗(yàn)相對(duì)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(cè)專用土槽試驗(yàn)系統(tǒng)，并廣泛開展了試驗(yàn)和理論研究。國(guó)內(nèi)行星探測(cè)活動(dòng)相對(duì)滯后，專用土槽試驗(yàn)系統(tǒng)是隨著“嫦娥探月工程”的實(shí)施于最近幾年才逐步建立起來的，目前公開報(bào)道建有深空探測(cè)專用土槽試驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)在行星探測(cè)研究中的應(yīng)用代表了目前土槽試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的最高水平。因此本文首先將選取國(guó)內(nèi)外具有代表性的土槽試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

1.1 日本東北大學(xué)土槽試驗(yàn)系統(tǒng)

1996年，為了適應(yīng)無(wú)人控制中小型行星探測(cè)車的研究需要，日本東北（Tohoku）大學(xué)空間機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室（SRL）在日本空間發(fā)展研究所（NASDA）、航空航天實(shí)驗(yàn)室（NAL）和宇航協(xié)會(huì)（ISAS）等機(jī)構(gòu)的聯(lián)合支持下，開發(fā)了輪地相互作用測(cè)試系統(tǒng)［6］（見圖1）。該系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)單元、傳動(dòng)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(cè)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(cè)量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行土壤參數(shù)的估計(jì)［7］。該實(shí)驗(yàn)室還研制了多種整車測(cè)試系統(tǒng)，用于整個(gè)探測(cè)車基于滑轉(zhuǎn)率的控制和動(dòng)力學(xué)研究；不僅可以分析整車運(yùn)動(dòng)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(yàn)［8，9］。

1.2 美國(guó)卡內(nèi)基—梅隆大學(xué)土槽試驗(yàn)系統(tǒng)

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

1.3 美國(guó)麻省理工學(xué)院土槽試驗(yàn)系統(tǒng)

2001年，在 NASA “火星基礎(chǔ)技術(shù)計(jì)劃”（MBTP）的資助下，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）野外和空間機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室 （FSRL）Iagnemma 博士等人［12，13］完成了“Rocky”系列探測(cè)車的車輪運(yùn)動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)（見圖3）。該測(cè)試臺(tái)可測(cè)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(dòng)轉(zhuǎn)矩等參量，根據(jù)這些參數(shù)可以動(dòng)態(tài)地估測(cè)土壤的力學(xué)特性參數(shù)；通過協(xié)調(diào)控制車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度和托架的水平移動(dòng)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(cè)量；同時(shí)可對(duì)安裝多個(gè)輪齒的金屬車輪的行走性能進(jìn)行試驗(yàn)和分析［15］。

1.4 吉林大學(xué)土槽試驗(yàn)系統(tǒng)

2007年，為測(cè)試月面探測(cè)車輛的牽引性能及通過性能，吉林大學(xué)地面機(jī)械仿生技術(shù)實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)了月壤—車輪土槽試驗(yàn)系統(tǒng)［5，16］（見圖 4）。 試驗(yàn)機(jī)由EDC100根據(jù)電控箱發(fā)出的命令控制主機(jī)被試輪系臺(tái)架的前后移動(dòng)，能提供試驗(yàn)過程中需要的加載和卸載行為。土槽臺(tái)架系統(tǒng)可以適應(yīng)不同寬度和直徑的車輪，可對(duì)有刺輪車輪與光滑車輪的牽引性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)［17］；還具有可變角度的功能，可測(cè)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(jì)方面采用可更換的正面?zhèn)缺诎?，以便安裝觀測(cè)窗或瞬態(tài)測(cè)量土體變形用的透明網(wǎng)格板材。

2 土槽試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

土槽試驗(yàn)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(zhǎng)，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(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)等科技的發(fā)展和進(jìn)步，土槽試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用水平必將不斷提高和完善，其發(fā)展趨勢(shì)具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1土槽試驗(yàn)的測(cè)試功能更加完善

為滿足不同種類科學(xué)試驗(yàn)的需要，關(guān)于輪地作用特性的測(cè)量參數(shù)也將越來越多，土槽試驗(yàn)必須具備同時(shí)測(cè)量多種車輪力學(xué)參量并驗(yàn)證建立的車輪力學(xué)模型的功能。除了目前普遍可測(cè)量的車輪牽引性能以外，還要能夠測(cè)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(yàn)測(cè)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(yàn)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及測(cè)試精度將會(huì)不斷提升。通過配備各種精密傳感器，可精確測(cè)量包括掛鉤牽引力、側(cè)向力、車輪滑轉(zhuǎn)率、沉陷量等測(cè)試參數(shù)。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)軟件能夠精確設(shè)置車輪運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，并通過可視化曲線觀測(cè)特性參數(shù)的變化趨勢(shì)，從而進(jìn)行直觀的對(duì)比分析，確保數(shù)據(jù)的客觀、準(zhǔn)確。

2.3 土槽試驗(yàn)的研究手段更加豐富

單憑土槽試驗(yàn)方法不能直觀追蹤輪地接觸的動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)而無(wú)法深入研究車輛與地面相互作用的微觀機(jī)理。而許多用試驗(yàn)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(jì)的預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，有助于更好的控制試驗(yàn)條件，提高試驗(yàn)過程的針對(duì)性；而客觀的土槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)又可以驗(yàn)證和修正數(shù)值仿真模型。通過與數(shù)值模擬方法有機(jī)結(jié)合起來，土槽試驗(yàn)可以解決更加微觀、更加復(fù)雜的問題。

2.4 土槽試驗(yàn)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(gè)試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)參數(shù)和加載條件，自動(dòng)進(jìn)行土壤整備及恢復(fù)處理，也能自動(dòng)定位和自動(dòng)控制行程，必要時(shí)自動(dòng)報(bào)警?？梢酝ㄟ^開發(fā)土槽試驗(yàn)專用軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土槽試驗(yàn)全過程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制。到一定階段，甚至實(shí)現(xiàn)無(wú)人操控、全自動(dòng)的試驗(yàn)過程：只要設(shè)定好試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，土槽試驗(yàn)系統(tǒng)就可以在軟硬件系統(tǒng)的密切配合下，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，自動(dòng)得出試驗(yàn)結(jié)果報(bào)告。從而節(jié)省人力物力，極大地提高試驗(yàn)效率。

3 我國(guó)土槽試驗(yàn)技術(shù)研究的不足與建議

通過對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外土槽試驗(yàn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合土槽試驗(yàn)技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)目前的土槽試驗(yàn)研究無(wú)論是土槽軟硬件系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)還是土槽試驗(yàn)的測(cè)試手段等方面都尚不完善，具體從以下幾點(diǎn)進(jìn)行分析并提出建議。

3.1 土槽試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)不合理

相比于國(guó)外同類土槽設(shè)備，我國(guó)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(yàn)裝置。另外，野外條件下的車輪運(yùn)行工況和路面狀況是比較復(fù)雜的，而目前國(guó)內(nèi)的土槽試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)功能設(shè)計(jì)的局限性。所以，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際使用環(huán)境，針對(duì)車輪工況和路面條件的多樣性開發(fā)多功能的土槽試驗(yàn)裝置。

3.2 土槽測(cè)控系統(tǒng)兼容性和擴(kuò)展性較差

測(cè)控系統(tǒng)功能單一，操作較復(fù)雜，再開發(fā)空間?。煌瑫r(shí)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與處理能力比較弱，測(cè)試效果較差。因此，可以采用模塊化設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)各硬件系統(tǒng)之間的互聯(lián)，同時(shí)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(kuò)展性，便于后續(xù)研究中系統(tǒng)的升級(jí)和改造。

3.3 土槽試驗(yàn)的自動(dòng)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(shí)驗(yàn)人自己配備傳感器和計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備、編寫數(shù)據(jù)采集和處理的軟件，試驗(yàn)需要多人配合才能完成。因此需要研制集計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、新型電測(cè)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(yàn)平臺(tái)及其測(cè)控系統(tǒng)，提高土槽試驗(yàn)的自動(dòng)化程度。

3.4 土槽試驗(yàn)中未采取信號(hào)屏蔽措施

未來包括微電子技術(shù)、無(wú)線電遙控技術(shù)、信號(hào)實(shí)時(shí)處理技術(shù)等新技術(shù)在土槽試驗(yàn)中的普及應(yīng)用，對(duì)土槽試驗(yàn)的信號(hào)抗干擾能力將提出越來越高的要求。因此，應(yīng)該對(duì)測(cè)控儀器、被測(cè)機(jī)件和電纜等設(shè)備采取信號(hào)屏蔽措施，排除隨機(jī)信號(hào)的干擾，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.5 未開發(fā)土槽試驗(yàn)配套的仿真軟件

國(guó)外研究者很早就開發(fā)了與土槽試驗(yàn)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(guó)漢堡大學(xué)開發(fā)的ASSTM軟件。而國(guó)內(nèi)土槽試驗(yàn)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(yàn)方法結(jié)合起來研究，阻礙了土槽試驗(yàn)技術(shù)的深入發(fā)展。國(guó)內(nèi)研究者在進(jìn)行土槽試驗(yàn)研究的同時(shí)要注重仿真軟件的自主開發(fā)，形成自身獨(dú)立的研究體系。

4 結(jié)論

通過近一百年的發(fā)展，土槽試驗(yàn)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(cè)熱點(diǎn)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?yàn)技術(shù)以不斷適應(yīng)車輛地面力學(xué)研究的需要，是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的課題。本文緊跟國(guó)際前沿，在綜述國(guó)內(nèi)外典型土槽試驗(yàn)系統(tǒng)最新研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，指出了土槽試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況分析了我國(guó)土槽試驗(yàn)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(duì)我國(guó)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?。囕v地面力學(xué)［M］．北京：國(guó)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(cè)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(yáng)，李建橋，等．月球車行走性能地面模擬試驗(yàn)方案設(shè)想［C］．中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第二屆學(xué)術(shù)年會(huì)，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(yàn)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(cè)定とスリップ測(cè)定をもとにした車輪型砂上移動(dòng)ロボットの駆動(dòng)力発生モデルの構(gòu)築［D］．日本仙臺(tái)：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(tái)：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(cè)車輛驅(qū)動(dòng)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(dòng)輪牽引性能研究［J］．宇航學(xué)報(bào)，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．