车辆地面力学土槽试验技术研究进展

田小锋，姜乐华，聂晓辉

（国防科技大学 交通运输工程系，长沙 410072）

车辆地面力学是研究越野行驶中机器与地面相互作用的一门力学学科［1］，研究内容包括对机器通过性的预测和评价，行走机构的优化设计以及对地面可行驶性的预测判断等几个方面。车辆地面力学从一开始就是一门试验与理论并重的学科［2］，利用室内土槽进行模型试验是车辆地面力学非常重要的研究手段。土槽试验的作用［3］是研究土壤的行驶性，测定不同行走机构的滚动阻力、牵引力、行驶的滑转率、牵引效率与接地面积、接地比压及其在土壤中的下陷量等参数，研究行走机构与土壤的相互作用机理，从而优化行走机构的结构尺寸，为车辆的设计和改进提供参考数据。

土槽试验不受外界自然条件的影响，易于控制试验参数和试验条件，具有较高的测试精度及良好的重复性和可对比性，大大缩短研究周期，加快研究进度，为推动车辆地面力学的研究发挥了重要的作用。然而，迄今为止国内外对于土槽试验技术的系统性的专项研究未见公开报道。因此，本文开展的土槽试验技术研究工作对车辆地面力学研究具有重要的参考价值和指导意义。

1 国内外典型土槽试验系统最新进展

从1889年“土槽”概念模型的提出［4］到 20世纪末，国内外土槽试验研究主要集中在农田机械和越野车辆等领域进行，其发展历程详见文献［5］的报道。21世纪初，世界各国掀起了新一轮行星探测热潮。车轮与松软土壤相互作用的地面力学被广泛应用于行星探测车结构设计、性能评价、仿真分析等诸多方面，是目前深空探测的一个研究热点和难点。由于实车实地试验条件不具备，土槽试验是目前研究行星探测车辆轮地作用特性唯一有效的试验手段。国外行星探测活动开展较早，土槽试验研究的经验相对成熟，从20世纪90年代末开始许多单位就相继开发了具有较高精度的行星探测专用土槽试验系统，并广泛开展了试验和理论研究。国内行星探测活动相对滞后，专用土槽试验系统是随着“嫦娥探月工程”的实施于最近几年才逐步建立起来的，目前公开报道建有深空探测专用土槽试验系统的只有哈尔滨工业大学、吉林大学和北京航空航天大学等三所高校。专用土槽试验系统在行星探测研究中的应用代表了目前土槽试验技术发展的最高水平。因此本文首先将选取国内外具有代表性的土槽试验系统进行重点介绍。

1.1 日本东北大学土槽试验系统

1996年，为了适应无人控制中小型行星探测车的研究需要，日本东北（Tohoku）大学空间机器人实验室（SRL）在日本空间发展研究所（NASDA）、航空航天实验室（NAL）和宇航协会（ISAS）等机构的联合支持下，开发了轮地相互作用测试系统［6］（见图1）。该系统主要由驱动单元、传动单元及数据采集传感器组成，可分别进行车轮前进和侧偏力学性能测试；通过在车轮上安装应力传感器可进行应力分布测量，在此基础上进行土壤参数的估计［7］。该实验室还研制了多种整车测试系统，用于整个探测车基于滑转率的控制和动力学研究；不仅可以分析整车运动过程中的力学特性和爬坡性能，还可进行整车转向的力学性能分析和试验［8，9］。

1.2 美国卡内基—梅隆大学土槽试验系统

1997年，在NASA “南极陨石搜索计划”（ANSMET）的支持下，美国卡内基—梅隆大学（CMU）机器人学院的Apostolopoulos等人以行星探测原型机器人“Nomad”的车轮为研究对象，设计制造了车轮作圆周运动的正多边形的单轮土槽测试台（见图2），用以试验模拟车轮在星体表面松软地形环境的移动性能［10］。测试台中央是一个集电环，通过两个平行连杆机构连接车轮，为车轮供电并调节控制信号。该装置可以用来测量车轮持续工作和跨越障碍的驱动功率以及车轮驱动单元的耐久性，同时可预测轮齿效应和重复通过对车轮移动性能的影响［11］。

1.3 美国麻省理工学院土槽试验系统

2001年，在 NASA “火星基础技术计划”（MBTP）的资助下，美国麻省理工学院（MIT）野外和空间机器人实验室 （FSRL）Iagnemma 博士等人［12，13］完成了“Rocky”系列探测车的车轮运动性能测试系统（见图3）。该测试台可测量车轮行驶过程中的挂钩牵引力、车轮下陷量、车轮的滑转率以及前进驱动转矩等参量，根据这些参数可以动态地估测土壤的力学特性参数；通过协调控制车轮转动速度和托架的水平移动速度可以进行车轮滑转率控制［14］；可使用图像处理技术进行车轮沉陷量的测量；同时可对安装多个轮齿的金属车轮的行走性能进行试验和分析［15］。

1.4 吉林大学土槽试验系统

2007年，为测试月面探测车辆的牵引性能及通过性能，吉林大学地面机械仿生技术实验室自行设计了月壤—车轮土槽试验系统［5，16］（见图 4）。 试验机由EDC100根据电控箱发出的命令控制主机被试轮系台架的前后移动，能提供试验过程中需要的加载和卸载行为。土槽台架系统可以适应不同宽度和直径的车轮，可对有刺轮车轮与光滑车轮的牵引性能进行对比试验［17］；还具有可变角度的功能，可测量出车轮所能克服的上坡路、倾斜地和斜坡的最大角度［18］。在结构设计方面采用可更换的正面侧壁板，以便安装观测窗或瞬态测量土体变形用的透明网格板材。

2 土槽试验技术发展趋势

土槽试验技术是随着车辆地面力学的研究而不断发展成熟的，发展历史较长，应用领域较广。未来随着车辆地面力学研究领域的拓展和深入，以及计算机技术、测试技术、自动控制技术和机械制造技术等科技的发展和进步，土槽试验技术的应用水平必将不断提高和完善，其发展趋势具体体现在以下几个方面。

2.1土槽试验的测试功能更加完善

为满足不同种类科学试验的需要，关于轮地作用特性的测量参数也将越来越多，土槽试验必须具备同时测量多种车轮力学参量并验证建立的车轮力学模型的功能。除了目前普遍可测量的车轮牵引性能以外，还要能够测量车轮的侧偏性能、转向性能、越障性能、爬坡性能、抗侧滑性能等力学特性，以便模拟车辆在非结构环境中克服几何障碍而正常通过各种地面和地形的行驶能力。

2.2 土槽试验测得的数据更加精确

通过提高制造工艺和应用新型材料，土槽试验系统的可靠性、稳定性及测试精度将会不断提升。通过配备各种精密传感器，可精确测量包括挂钩牵引力、侧向力、车轮滑转率、沉陷量等测试参数。试验台测控系统软件能够精确设置车轮运行参数，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，确保数据的客观、准确。

2.3 土槽试验的研究手段更加丰富

单凭土槽试验方法不能直观追踪轮地接触的动态变化过程进而无法深入研究车辆与地面相互作用的微观机理。而许多用试验方法难以解决的问题可以借助于数值模拟法来解决，包括有限差分法、有限元法、边界元法和离散元法等。正确的数值仿真模型可以快速、经济的预测试验结果，有助于更好的控制试验条件，提高试验过程的针对性；而客观的土槽试验数据又可以验证和修正数值仿真模型。通过与数值模拟方法有机结合起来，土槽试验可以解决更加微观、更加复杂的问题。

2.4 土槽试验的流程更加智能化

通过大规模集成电路技术的应用，可将整个试验系统的电路集成于以PLC为核心的电控系统进行集中控制，实现自动检测试验参数和加载条件，自动进行土壤整备及恢复处理，也能自动定位和自动控制行程，必要时自动报警。可以通过开发土槽试验专用软件系统，实现对土槽试验全过程的自动监测和控制。到一定阶段，甚至实现无人操控、全自动的试验过程：只要设定好试验目标，土槽试验系统就可以在软硬件系统的密切配合下，自动进行数据实时处理，自动得出试验结果报告。从而节省人力物力，极大地提高试验效率。

3 我国土槽试验技术研究的不足与建议

通过对比分析国内外土槽试验技术的研究现状，结合土槽试验技术的未来发展趋势，发现国内目前的土槽试验研究无论是土槽软硬件系统的开发设计还是土槽试验的测试手段等方面都尚不完善，具体从以下几点进行分析并提出建议。

3.1 土槽试验装置结构和功能设计不合理

相比于国外同类土槽设备，我国目前使用的多是较大型的土槽，结构笨重、占地面积大，而且用土量多，人力成本高，能耗大，噪声污染严重，不便于反复多次的进行精密土力学细观研究。因此在满足研究要求的前提下，尽可能开发结构精巧、紧凑的小型土槽试验装置。另外，野外条件下的车轮运行工况和路面状况是比较复杂的，而目前国内的土槽试验装置只能适应车轮缓慢匀速直行、侧偏或者爬坡等常见工况下的试验条件，模拟路面条件也多是由火山灰或干沙组成的弹塑性路面，造成了土槽试验功能设计的局限性。所以，应该结合实际使用环境，针对车轮工况和路面条件的多样性开发多功能的土槽试验装置。

3.2 土槽测控系统兼容性和扩展性较差

测控系统功能单一，操作较复杂，再开发空间小；同时数据实时采集与处理能力比较弱，测试效果较差。因此，可以采用模块化设计思想，实现各硬件系统之间的互联，同时需要开发具有良好可靠性和稳定性的数据处理软件。通过软硬件密切配合，提高系统的兼容性和扩展性，便于后续研究中系统的升级和改造。

3.3 土槽试验的自动化程度还不够高

多数研究单位仍采用早些年代的土槽设备或在其基础上做出部分改进，需要实验人自己配备传感器和计算机等硬件设备、编写数据采集和处理的软件，试验需要多人配合才能完成。因此需要研制集计算机技术、虚拟仪器技术、新型电测技术、远程遥控技术各种新技术为一体的新型土槽试验平台及其测控系统，提高土槽试验的自动化程度。

3.4 土槽试验中未采取信号屏蔽措施

未来包括微电子技术、无线电遥控技术、信号实时处理技术等新技术在土槽试验中的普及应用，对土槽试验的信号抗干扰能力将提出越来越高的要求。因此，应该对测控仪器、被测机件和电缆等设备采取信号屏蔽措施，排除随机信号的干扰，保证测试结果的准确性。

3.5 未开发土槽试验配套的仿真软件

国外研究者很早就开发了与土槽试验配套的专用仿真软件并采取技术保护，如Schmid等开发的VENUS和AESCO与德国汉堡大学开发的ASSTM软件。而国内土槽试验研究这么多年，一直未能自主开发相应配套软件以便与试验方法结合起来研究，阻碍了土槽试验技术的深入发展。国内研究者在进行土槽试验研究的同时要注重仿真软件的自主开发，形成自身独立的研究体系。

4 结论

通过近一百年的发展，土槽试验技术在车辆地面力学中的应用已从传统的越野行驶领域延伸到目前的行星探测热点领域。随着科技的进步，其应用领域将不断拓展。如何完善土槽试验技术以不断适应车辆地面力学研究的需要，是一个富有挑战性的课题。本文紧跟国际前沿，在综述国内外典型土槽试验系统最新研究进展的基础上，指出了土槽试验技术的发展趋势，进而结合国内实际情况分析了我国土槽试验技术研究的不足，并提出了合理可行的改进建议，希望能对我国车辆地面力学的相关研究起到一定的参考作用。

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