创新移动方式：一场关于轮轨设计的学生竞赛

《Journal of Terramechanics》：Innovating Mobility: A Student Competition in Wheel and Track Design

ISTVS学生竞赛旨在通过实践设计车轮或履带系统，提升学生在越野机动性领域的工程能力，结合实验室测试和实地评估，促进创新和技能培养。

　　

德文·陈（Devin Chen）| 查伊塔尼亚·谢卡·索纳卡尔（Chaitanya Shekhar Sonalkar）| 理库·基库塔（Riku Kikuta）| 安德里斯·佩恩泽（Andries Peenze）| 瓦尔莎·S·斯瓦米（Varsha S. Swamy）| J·伊桑·萨尔蒙（J. Ethan Salmon）| 博胡米尔·杰莱内克（Bohumir Jelinek）| 乔治·L·梅森（George L. Mason）| P·沙尔克·埃尔斯（P. Schalk Els）| 科里娜·桑杜（Corina Sandu）

美国密西西比州立大学先进车辆系统中心（Center for Advanced Vehicular Systems, CAVS）

摘要

在本文中，我们提出了一项ISTVS轮子/轨道设计学生竞赛，旨在通过让学生亲手参与越野移动性设计和测试来培养他们的地面力学知识。该竞赛将要求学生团队为小型无人地面车辆（UGV）设计并制造轮子或轨道系统，并通过在不同类型的土壤上进行牵引性能和移动性测试来评估其性能。通过强调低成本、实用的方法，这项活动确保了来自不同背景的学生都能参与其中。团队可以使用免费的CAD软件、3D打印或其他快速原型制作技术来降低成本。竞赛包括两个主要部分：一个用于评估牵引性能的实验室式单轮测试装置，以及一个用于野外移动性测试的小型UGV平台。性能指标可能包括牵引力、沉降量、打滑情况以及爬坡能力，这些指标均依据ISTVS标准进行评估（He等人，2020年）。每场比赛都将包括设计展示和结构化的评分标准，以评估设计质量和性能。这一活动提供了体验式学习的机会，鼓励创新，并增强了学生与ISTVS的互动，培养下一代地面力学工程师。

引言

随着全球工程类专业毕业生数量的增加，有必要将传统的课堂教学与实践或体验式学习相结合。体验式学习被定义为“一种教学理念，教育者通过让学生直接参与体验和深入反思来增加知识、发展技能、明确价值观，并提升他们为社区做贡献的能力”（Tembrevilla等人，2024年）。地面力学作为工程学的一个重要分支，专注于车辆与各种地形之间的相互作用——这使得它在与轮式或履带式系统相关的应用中具有高度相关性。

为了促进这一领域的实践学习，密西西比州立大学、弗吉尼亚理工大学以及比勒陀利亚大学（均为国际地形车辆系统协会（ISTVS）的学生分会）联合发起了一项学生竞赛，旨在培养基本的工程技能。目标是鼓励有兴趣的大学或组织成立ISTVS学生分会，然后让成员注册参加ISTVS学生竞赛，从而激发学生对地面力学的兴趣并增加ISTVS的会员数量。

竞赛将强调团队合作、工程设计和技术交流，同时向参与者介绍评估轮式和履带式车辆越野牵引性能的关键概念。在首届竞赛中，每个学生团队将负责设计并制作一个独特的轮子或轨道系统，最终在2026年第四季度于南非比勒陀利亚大学举行的第56届国际地形车辆系统会议上进行现场测试和评估。

本文概述了这项首创的ISTVS学生竞赛的提案：2026年首届竞赛的内容、未来竞赛的设想，并邀请外部各方参与讨论和提供反馈。文中还详细介绍了轮子或轨道系统的设计、测试和评估方法，并留有根据反馈调整要求的灵活性。学生团队需要记录他们的设计过程，并将设计报告作为竞赛的一部分提交；设计报告将通过评审过程以及在ISTVS会议上进行的设计展示来进行评估。此外，还提供了用于评估学生设计性能的测试平台的相关信息。

提出了两种测试平台：一种是实验室式的单轮土壤箱测试平台，以确保实验的可重复性；另一种是小型UGV或类似的遥控车辆，用于评估动态操控和测试。实验室式的单轮测试装置将用于在受控且可重复的条件下测试轮子的性能。首先会确定土壤特性，然后测量在不同前进速度和角度下的牵引力、总牵引力和轮子沉降量。新的轮子将被安装到遥控车辆上，以测试加速度、减速度、覆盖特定距离所需的时间或在指定时间内行驶的距离等基本移动性能指标，从而将单轮性能与车辆的整体能力联系起来。最后，提出了对学生竞赛各方面的评分标准，包括设计文档、展示和实验结果，以确定最终获胜者。

部分内容摘要

方法论

在征稿的同时，各大学将收到关于2026年ISTVS学生竞赛的通知，其中包括竞赛规则手册、截止日期和日程安排。这些信息将通过社交媒体上的数字传单和群发邮件等方式进行宣传。传单或邮件中会包含一个在线表格链接，有兴趣的学生可以通过该链接注册参加信息会议，以获取更多竞赛组织者的信息。

竞赛测试案例

竞赛可以包含不同的项目，每年的重点会根据可用资源和当地竞赛团队的情况而有所不同。每年都会向各大学发送详细的规则手册，以说明具体项目的细节。

我们提出了以下每年可以开展的不同竞赛和测试指标，以吸引各大学的学生参与。首先，各团队需要进行技术设计展示，向观众介绍他们的设计理念。

设计与评分评估

每个团队的设计报告将由专家小组进行评估，理想情况下这些专家来自ISTVS社区。评估应确保一致性并减少偏见。理想情况下，评估应在会议之前完成，以便在会议期间宣布最终的获胜者。

设计展示将在会议上由评审小组进行评估。

结论与未来工作

本文提出了ISTVS学生竞赛系列的首个项目。它明确了首届竞赛的目标，即为越野车辆设计轮子或轨道元件。对学生的要求包括：1）记录并阐述设计过程；2）将设计报告作为会议海报的一部分提交，该报告将通过评审过程以及在ISTVS会议上进行的设计展示来进行评估。

作者贡献声明

德文·陈（Devin Chen）：撰写初稿、审阅与编辑、监督、项目管理、概念构思、资金筹措、方法论制定。查伊塔尼亚·谢卡·索纳卡尔（Chaitanya Shekhar Sonalkar）：撰写、审阅与编辑、概念构思、可视化。理库·基库塔（Riku Kikuta）：撰写、审阅与编辑、概念构思。安德里斯·佩恩泽（Andries Peenze）：撰写初稿、审阅与编辑、验证、调查、方法论制定、数据整理、数据分析、概念构思。瓦尔莎·S·斯瓦米（Varsha S. Swamy）：概念构思、撰写初稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢我们的同行、研究团队和学术机构对本文以及ISTVS学生竞赛成功开展的宝贵贡献。同时，我们也衷心感谢国际地形车辆系统协会（ISTVS）在将这一愿景变为现实过程中给予的支持和鼓励。