第 1 章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的与意义
同探索陆地、海洋和近地空间一样，人类对外部空间的探索本身就是研究生命起源和进化的重要一步[1]。作为国家综合实力的重要体现和空间技术高度发达的标志，深空探测对于国家的军事、经济和科学等诸多方面具有重要意义地。自从上个世纪八十年代，世界各国掀起了深空探测高潮，俄罗斯、美国等相继宣布并开展深空探测任务[2]。进入二十一世纪，中国通过载人航天系列和嫦娥工程等航天事业彰显了作为航天大国的空间探测能力。星球车是外部空间探测不可或缺的工具。到现在为止，成功对月球进行探测的月球车共有六辆，其中俄罗斯两辆、美国三辆、中国一辆，已经登录火星的探测车共有四辆，全部由美国发射[3]。由于星球环境的复杂性和未知性，星球车在探测过程中极易发生滑转和沉陷现象，从而给星球车的勘探任务提出了许多挑战。俄罗斯的无人探测月球车在月球表面探测时曾经深陷松软的月壤当中，经过反复的车轮转动调节，当耗费了所有的动力能量之后才得以回到硬质路面，然后不得不暂时停止工作，用以进行探测车的充电。美国的载人月球车在行驶过程中出现严重的车轮下陷情况，不得不由宇航员通过人工方式脱离松软土壤。美国的勇气号探测车在对火星进行勘探时，车轮出现了严重的滑转沉陷问题，给火星车的深空探测任务增加了很大难度。星球车在对星球的探测活动中需要搭载大量的科学仪器，用以完成不同的科学实验。如果要完成这些科学探测实验，必然要求星球车具有良好的移动性能，能够在崎岖复杂的环境中有效运行，否则由于星球车的故障问题将会对国家造成巨大的损失和影响，因此，为提高星球车移动性能，星球车与星壤的力学特性研究十分必要。
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1.2 地面力学国内外研究现状
从十八世纪开始，车轮与土壤相互作用地面力学理论研究便开始了。早在1813 年，捷克的 Gerstner 便提出了车轮牵引力与车轮构型参数、载荷之间关系表达式。到二十世纪初，由于拖拉机的到广泛应用，车辆在松软土壤上的行驶问题受到各国学者的极大关注。1913 年德国学者 Bernstein 提出车辆在土壤上运行时，车轮沉陷量和车轮应力分布之间的关系，但研究中只考虑了车轮的运动阻力对车轮的影响，并未把车轮驱动力对沉陷量的影响考虑进去。英国学者Miclethwait 于 1944 年首次提出基于库仑公式可以求解车轮与土壤的最大推力，采用 Terzaghi 原理可以研究土壤与车轮的承载能力问题[5]。地面车辆力学课程率先由 Bekker 于华沙工学院创建，在此期间并创建了轮地力学研究室。在 1950~1952 年间，Bekker 基于已有的研究成果，创建了越野行驶力学课程，通过创办实验室研究轮式车辆在土壤上的通过性问题，并首次解决了车轮滑转与牵引性能之间的力学问题，得出了土壤的剪切应力与剪切位移的关系表达式，该表达式比库仑公式更加适用于对轮地作用的研究。在1952~1954 年间，Bekker 在约翰霍布金斯大学工作期间，通过对运动阻力和沉陷量之间关系的研究，得出了土壤正压力与沉陷量之间的关系式，该关系式经过了大量的试验验证，由于模型简单实用至今仍被广泛应用。在 1954~1960 年期间，Bekker 一直致力于通过轮地作用试验研究土壤的力学参数，并进一步完善地面力学理论，在 1960 年出版了《越野行驶》一书，书中提出通过车轮挂钩牵引力和车轮压力之间的比来评价车轮的驱动性能[6]。
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第 2 章 轮地作用力学模型研究及其应用
2.1 轮地作用力学影响因素
星球车车轮与星壤的相互作用过程中，受到土壤连续的径向应力和剪切应力，连续的应力形成作用于驱动车轮的挂钩牵引力、法向支持力和驱动阻力矩。车轮运动参数的变化对车轮受到的力和力矩具有重要影响，这些运动参数包括车轮滑转率、轮地接触角以及车轮侧偏角等。星球车车轮与星壤的力学特性研究是轮地作用力学模型建立、理论分析验证以及车轮驱动性能分析和测试的基础。由于星壤的及其珍贵，室内研究采用模拟星壤的形式分析星球车的轮地相互作用力学特性，然后对比的探究驱动车轮在外部星球环境中的力学特性。采用地面力学理论分析土壤力学特性的研究中，Bekker 的半经验方法因可以定量的描述与车辆有关的地面力学性能，从而得到广泛的应用。该方法把土壤的变形分为竖直方向的变形和水平方向的变形两个部分，相应代表了土壤的承压特性和剪切特性[33,34]。承压特性 载荷产生的压力会使实验土壤产生一定形变，土壤的形变包括弹性形变和塑性形变两部分[35]。土壤的承压特性一般通过压板实验进行测试，压板实验原理图如图 2-1 所示。土壤在微小的载荷下即能发生弹性形变，并且当载荷被去除时，土壤的回弹部分也主要有弹性形变决定。图 2-2 为压板正压力和压板沉陷量之间的关系曲线，曲线 OC 显示了土壤的承压特性，可以简化为直线OA 和直线 AB 两部分。
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2.2 轮地相互作用力学模型研究
车轮前进模型是在不考虑侧偏角的情况下，描述驱动车轮在松软土壤上的滑转状态。通过对车轮受到的集中力和力矩进行研究，得出力和力矩的解析表达式，车轮前进模型研究是建立侧偏滚动模型和转向模型的基础。星球车车轮与地面相互作用前进受力分析如图 2-4 所示。车轮滑转率估计可以使操作人员了解车轮的运动信息，并及时对星球车故障做出相应处理，相关的方法研究对于星球车运动规划和策略设计等诸多方面具有重要意义。现阶段的滑转率估计方法研究大多基于视觉检测技术，通过分析车辙形状得出有轮刺车轮的滑转率信息，但对于光滑车轮并不适用[39]。本文基于星球车车轮前进模型，通过分析参数间耦合关系，提出被动滑转状态下车轮滑转率估计方法。
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第 3 章 星球车轮地作用测控系统设计.......... 22
3.1 轮地作用测控装置......... 22
3.2 测控系统体系结构及硬件平台搭建..... 25
3.2.1 测控系统体系结构.......... 25
3.2.2 硬件配置.......... 27
3.3 测控系统软件设计......... 30
3.4 本章小结......... 37
第 4 章 轮地相互作用试验及分析.......... 38
4.1 试验条件与设计..... 38
4.2 车轮主动滑转试验......... 39
4.2.1 前进试验.......... 39
4.2.2 侧偏滚动试验.......... 42
4.3 车轮被动滑转试验......... 43
4.4 本章小结......... 45
第 4 章 轮地相互作用试验及分析
4.1 试验条件与设计
轮地相互作用试验系统示意图如图 4-1 所示，通过操作控制柜中的人机交互界面，利用试验台实现车轮与土壤的相互作用运动，进而采集并保存集中力/力矩、沉陷量等数据，用于后续的处理和分析，其中试验系统基于不同的试验需求可以更换不同的测试车轮。工控机、固高运动控制卡、泓格数据采集卡、伺服驱动器等控制元件在安装在控制柜当中，伺服电机、六维力传感器、倾角传感器等最终执行元件或反馈元件安装在试验台上，两部分通过航插和传输线连接在一起，用以实现控制命令传送和采集数据反馈。土壤的力学参数决定了相互作用时车轮的驱动性能[45]，为更加真实的研究星球车车轮的受力情况，模拟星壤的选择至关重要。本文选用力学特性与星壤非常接近的松软干沙作为试验土壤，松软干沙是以细沙为原材料，通过剔除杂质、烘干等步骤加工制作而成的。基于承压特性试验和剪切特性试验，可以获得干沙的力学参数，如表 4-1 所示。利用轮地相互作用测控装置，安装好被测车轮后即可进行相关试验操作，本文选用的测试车轮半径为 400mm，宽度为 125mm。首先构建轮地作用试验环境，利用松土工具和刮沙机构对土壤进行铲土和平整，保证车轮运行环境的一致性和试验的可重复性，然后对车轮进行垂直方向加载，通过增加或减少负载，达到试验所需载荷要求，并在此基础上获取六维力传感器、倾角传感器、扭矩传感器等集中力/力矩的基准，实现各个数据读取的准确性和精确性，最后通过操作测控系统界面，开始轮地相互作用试验，通过采集和导出各个传感器的数据，使测试数据以文档的形式保存在设置路径中。
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结论
为保障探测车顺利完成探测任务，星球车轮地作用力学特性研究极其重要。本文采用地面力学理论和轮地作用试验相结合的方法，通过建立地面力学积分模型，研究了星球车车轮滑转率估计方法，设计了轮地相互作用测控系统，取得的成果有以下几个方面：
1．分析了车轮运动参数和土壤力学特性对轮地相互作用力学的影响，进而建立了三种力学积分模型：车轮前进模型、车轮侧偏滚动模型和车轮转向模型。结合轮地作用地面力学，通过对力学模型进行受力分析，推导了积分模型的集中力/力矩解析表达式。
2．基于轮地作用前进模型，针对关于正压力和挂钩牵引阻力的方程组的高度耦合性和复杂非线性，解析了车轮滑转率、轮地接触角、土壤参数和车轮参数之间的耦合关系。结合参数解析结果和力学简化模型，提出了被动滑转状态下星球车车轮滑转率估计方法。
3．通过介绍轮地作用测控装置，给出了崎岖地形模拟方法，确定了三种轮地作用力学特性测试任务：主动滑转测试、被动滑转测试和转向测试。基于功能需求分析，设计了测控系统体系结构，并在此基础上搭建了硬件系统平台，给出了具体硬件配置。基于模块化思想，通过分析测控系统软件总体设计方案，构建了软件系统体系；采用层次化和封装化方式，开发了测控系统软件程序，并阐述了车轮滑转测控程序和俯仰土槽运动程序实现流程。
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参考文献（略）