CN104132763B - 具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮及受力测试方法 - Google Patents

Abstract

具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮及受力测试方法，涉及一种力学系统测试方法。实现了对星球探测车车轮的力学性能的测量，本发明的滑环的内环与六维力传感器的一侧同轴固定连接，六维力传感器该侧与车轮本体中心立面固定连接，且六维力传感器与车轮本体同轴连接，滑环外环与滑环适配器固定连接，六维力传感器的另一侧与轮轴适配器的一侧端面固定连接，薄膜压力传感器的压力信号输出端连接无线信号发射电路信号输入端。六维力传感器和薄膜压力传感器对车轮的宏微观受力进行测量，获得模拟行星土壤作用在车轮上的法向力、挂钩牵引力、侧向力、旋转电机驱动力矩和轮地接触区域的正应力分布。本发明适用于作为行星探测车车轮测量车轮的受力情况。

Description

具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮及受力测试方法

技术领域

本发明涉及一种力学系统测试方法。

背景技术

星球探测车车轮力学测试试验是将车轮从车体中剥离出来，单独构建出车体的运行状况，在实验的条件下模拟测试得到车轮在实际运行状态下的应力状况，用于车轮地面力学理论验证以及分析。实验的基本原理是控制车轮的前进速度、转动速度以及侧偏角度，同时通过调节配重块模拟车轮在星球上的受力状况，在此基础上进行车轮地面力学性能的测试。实验的主要目的是：通过测试车轮与地面作用的力学性能，进而估计车轮在特定地面运行的性能，为星球车车轮的设计提供理论依据，为星球车适应复杂的星球环境及优化整车的控制方案提供输入。根据实验目的，车轮性能测试系统至少应包含两部分，一部分是星球表面环境的模拟，一部分是车轮力学性能的数据采集系统。实验环境的模拟主要包括：重力环境的模拟，这部分主要通过调节配重块来解决；地面环境的模拟，这部分主要通过在土槽中放置不同的模拟星壤来实现；运行状态的模拟，这部分主要由控制系统中的前进电机，拖拽电机，转向电机实现。力学性能的采集主要由测试系统完成，测试系统主要由电机编码器记录运动学状况；由扭矩传感器，六维力传感器以及薄膜压力传感器记录受力状况；时序由系统时钟测量。

在车轮的传统设计中，一般只包含了对封装等效之后的力的测量，并不能直接测得轮地相互作用的微观力学信息，这种方式在研究初期能够满足要求。随着技术的不断发展，对系统掌控程度的需求逐渐变得明显，因此需要解开封装并深入到直接受力以及微观受力的层面进行研究。

发明内容

本发明是为了实现对星球探测车车轮的力学性能的测量，从而提出一种具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮及受力测试方法。

本发明所述的具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮，该车轮包括滑环适配器固定装置、左端盖、滑环适配器、车轮本体、n个薄膜压力传感器、滑环、六维力传感器、轮轴适配器、输入轴、右端盖和无线信号发射电路；其中n为大于或等于4的整数；

滑环的内环与六维力传感器的一侧同轴固定连接，六维力传感器该侧与车轮本体中心立面固定连接，且六维力传感器与车轮本体同轴连接，滑环穿过车轮本体的中心通孔，滑环外环与滑环适配器固定连接，滑环适配器的另一端穿过左端盖与滑环适配器固定装置固定连接，

六维力传感器的另一侧与轮轴适配器的一侧端面固定连接，轮轴适配器的另一侧与输入轴的一端同轴连接，输入轴的另一端穿过右端盖的中心圆孔与行星探测车的前进电机输出轴固定连接，车轮本体的外表面沿车轮的径向方向铣有n个凹槽，n个薄膜压力传感器固定在车轮本体的外表面的凹槽内，无线信号发射电路固定在车轮本体的中间立面上，薄膜压力传感器的压力信号输出端连接无线信号发射电路信号输入端。

采用上述具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮的宏微观受力测试方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、将安装完成的车轮安装到车轮性能测试台上进行配重测量，当配重符合测量阈值时，执行步骤二，否则进行增加或减小配重，直至配重符合测量阈值再执行步骤二；

步骤二、通过车轮性能测试台上的升降装置，使车轮完全落在土壤上，模拟车轮在行星上的真实运行环境；

步骤三、六维力传感器和n个薄膜压力传感器，对车轮的宏微观受力进行测量，获得模拟行星土壤作用在车轮上的法向力、挂钩牵引力、侧向力、旋转电机驱动力矩和轮地接触区域的正应力分布完成车轮力学性测试。

本发明能够测量土壤直接作用在车轮上的力和力矩，可以与车轮性能测试台中原有的六维力传感器进行相互校核，同时能够采集车轮表面与土壤接触区域的应力分布，能够提供星球车车轮与土壤相互作用的微观应力模型。直接测得轮地相互作用的力学信息。

附图说明

图1为本发明所述的具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮结构示意图；

图2为图1的右视图示意图；

图3为图1的左视图示意图；

图4为本发明所述具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮内部安装结构的剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述的具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮，该车轮包括滑环适配器固定装置1、左端盖2、滑环适配器3、车轮本体4、n个薄膜压力传感器5、滑环6、六维力传感器7、轮轴适配器8、输入轴9、右端盖10和无线发射电路；其中n为大于或等于4的整数；

滑环6的内环与六维力传感器7的一侧同轴固定连接，六维力传感器7的该侧与车轮本体4的中心立面固定连接，且六维力传感器7与车轮本体4同轴连接，滑环6穿过车轮本体4的中心通孔，滑环6的外环与滑环适配器3固定连接，滑环适配器3的另一端穿过左端盖2与滑环适配器固定装置1固定连接，六维力传感器7的另一侧与轮轴适配器8的一侧端面固定连接，轮轴适配器8的另一侧与输入轴9的一端同轴连接，输入轴9的另一端穿过右端盖10的中心圆孔与前进电机的输出轴固定连接，车轮本体4的外表面沿车轮的径向方向铣有n个凹槽，n个薄膜压力传感器5固定在车轮本体4的外表面的凹槽内，无线信号发射电路固定在车轮本体4中间立面上，薄膜压力传感器5的压力信号输出端连接无线发射电路信号输入端。

本实施方式所述的无线发电路的电磁波是微波，也称高频电波(通过不同物质时，电磁波会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等，大家熟知的雷达是利用电磁波的反射特性，进行物体的定位)，利用电磁波的绕射特性，分别在左右挡板的中心位置开孔。对于无线发射模块的无线发射频率f是2.4GHZ，根据如下式所示的光速计算公式，计算出无线发射电波的波长λ，左右挡板的中心孔直径取无线波长的一半，计算出中心孔的直径为6.25cm，为了更好的输出无线信号，我们把左右挡板的中心孔直径定为100mm。

$\mathrm{\λ}=\frac{c}{f}=\frac{{3\×10}^8}{2.4{\×10}^9}$

考虑到使用金属挡板在任何条件下都会削弱无线信号，而且控制台距离车轮测试台存在一定的距离，会进一步削弱无线信号强度，降低数据传输的可靠性，并且限制最大采样率。为了尽量提高测试性能，将左右两个挡板的材料更换为有机玻璃，如此既能够满足车轮的强度要求，又能够消除挡板对无线信号的衰减作用，达到高速采样的性能要求，原本设计的中心孔保留，现在的作用是安装轴。

星球探测车宏微观受力测试车轮通过六维力传感器与前进电机输出轴进行连接，该六维力传感器属于特殊定制，为了实现和原有试验台的良好连接并且适宜更换，此处使用轮轴适配器，通过轮轴适配器与输入轴相连，驱动测试车轮转动，为防止车轮在轴向方向移动，在轮轴适配器的圆周方向上，开通螺纹孔，通过紧定螺钉进行轴向固定。为了将六维力传感器信号传递到控制电脑，在六维力传感器另一侧安装有滑环，滑环通过螺栓与六维力传感器固定连接，为防止滑环随车轮一起转动，设计滑环适配器和滑环适配器固定装置，滑环适配器通过螺钉与滑环外环固定，滑环适配器的固定器与测试台上的非旋转装置相连。为了保证六维力传感器与轮轴适配器同轴，在轮轴适配器中设计出凸台，安装与六维力传感器中心安装孔配合，设计时考虑如果将六维力传感器的X轴能垂直通过薄膜压力传感器母线，将会极大方便数据后处理，因此在车轮本体中心立面设计定位销，用于确定六维力传感器的周向安装关系。

滑环适配器与滑环适配器的固定装置设计成分开的形式，是为了避免滑环适配器在安装过程中，与车轮性能测试台的其他设备发生干涉，两者用用螺纹连接。

薄膜压力传感器采用应变片实现，应变片的固定，如果用双面胶粘接应变片，应变片与的土壤的相互作用，会影响双面胶的性能，严重者可能会造成双面胶的失效，使得应变片在车轮运行过程中脱离车轮表面。现对应变片的安装方式进行改进，采用工业用胶对应变片进行固定和车轮开口槽的密封。

无线发射器的固定，无线发射器的包装壳不提供机械安装接口，并且对于内部成型的电路板不能进行二次机械加工，所以采用尼龙粘扣的固定方法将无线发射器固定在车轮本体的中间立面上。无线发射器安装到车轮内部以后，正常情况下无需更换，如果在使用一段时间后发现无线发射装置有问题，可以直接把无线发射装置摘下来，进行更换和维修。

在车轮的左右端面还设计有保护端盖，防止车轮在土壤中运行的过程中，大量土壤颗粒进入到车轮内部，对实验设备造成不良影响，因此需要对内部器件做一定的保护。车轮的内部安装结构的剖视图如图4所示。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮的进一步说明，它还包括数据存储器，所述数据存储器的数据信号输入端经过数据线连接六维力传感器7的信号输出端。

所述数据线穿过滑环6的外环对六维力传感器的信号传输给数据存储器。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮的进一步说明，它还包括计算机和无线接收电路，计算机的六维力信号输入端连接六维力传感器7的信号输出端，无线接收电路与无线发射电路之间进行无线数据传输，无线接收电路的信号输出端连接计算机的车轮压力信号输入端。

本实施方式将车轮力学性能测试系统中六维力传感器7和薄膜压力传感器5采集的两个信号同时传递给计算机，通过计算机对直接采集的信号进行处理分析。

具体实施方式四、采用具体实施方式一所述的具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮进行受力测试的方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、将安装完成的车轮安装到车轮性能测试台上进行配重测量，当配重符合测量阈值时，执行步骤二，否则进行增加或减小配重，直至配重符合测量阈值再执行步骤二；

步骤二、通过车轮性能测试台上的升降装置，使车轮完全落在土壤上，模拟车轮在行星上的真实运行环境；

步骤三、六维力传感器7和n个薄膜压力传感器5，对车轮的受力进行测量，获得模拟行星土壤作用在车轮上的法向力、挂钩牵引力、侧向力、旋转电机驱动力矩和轮地接触区域的正应力分布完成车轮力学性测试。

Claims (3)

1.具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮测试车轮进行受力测试的方法，该方法基于具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮实现，所述车轮包括滑环适配器固定装置(1)、左端盖(2)、滑环适配器(3)、车轮本体(4)、n个薄膜压力传感器(5)、滑环(6)、六维力传感器(7)、轮轴适配器(8)、输入轴(9)、右端盖(10)和无线信号发射电路；其中n为大于或等于4的整数；

滑环(6)的内环与六维力传感器(7)一侧的中心同轴固定连接，六维力传感器(7)该侧与车轮本体(4)的中心同轴固定连接，滑环(6)贯穿车轮本体(4)的中心通孔并延伸出车轮本体(4)的左侧面，滑环(6)的外环与滑环适配器(3)固定连接，滑环适配器(3)的另一端穿过左端盖(2)中心的通孔与滑环适配器固定装置(1)固定连接；

六维力传感器(7)的另一侧与轮轴适配器(8)的一侧端面固定连接，轮轴适配器(8)的另一侧与输入轴(9)的一端同轴连接，输入轴(9)的另一端穿过右端盖(10)的中心通孔与行星探测车的前进电机输出轴固定连接；

车轮本体(4)的外表面沿车轮的径向方向铣有n个凹槽，n个薄膜压力传感器(5)固定在车轮本体(4)的外表面的凹槽内，无线信号发射电路固定在车轮本体(4)的中间立面上，薄膜压力传感器(5)的压力信号输出端连接无线信号发射电路信号输入端；

其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤一、将安装完成的车轮安装到车轮性能测试台上进行配重测量，当配重符合测量阈值时，执行步骤二，否则进行增加或减小配重，直至配重符合测量阈值再执行步骤二；

步骤二、通过车轮性能测试台上的升降装置，使车轮完全落在土壤上，模拟车轮在行星上的真实运行环境；

步骤三、六维力传感器(7)和n个薄膜压力传感器(5)，对车轮的受力进行测量，获得模拟行星土壤作用在车轮上的法向力、挂钩牵引力、侧向力、旋转电机驱动力矩和轮地接触区域的正应力分布完成车轮力学性测试。

2.根据权利要求1所述的具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮测试车轮进行受力测试的方法，其特征在于，它还包括数据存储器，所述数据存储器的数据信号输入端经过数据线连接六维力传感器(7)的信号输出端。

3.根据权利要求1所述的具有宏微观力测试功能的行星探测车车轮测试车轮进行受力测试的方法，其特征在于，它还包括计算机和无线接收电路，计算机的六维力信号输入端连接六维力传感器(7)的信号输出端，无线接收电路与无线发射电路之间进行无线数据传输，无线接收电路的信号输出端连接计算机的车轮压力信号输入端。