研究车速增加对火星探测器在穿越障碍物时行驶状态影响的实验

《Journal of Terramechanics》：Experimental study of the influence of speed increase on Mars rover driving state when crossing obstacles

　　

摘要

驱动速度的增加是无人行星探测器的一个重要发展方向和工程问题。为了研究驱动速度增加对火星探测器跨越障碍物时行驶状态的影响，开发了一个测试系统，并对火星探测器原型进行了地面模拟测试。针对火星巡航场景，提出了一种包含障碍物类型和驱动速度的实验方案。当火星探测器的速度增加约10倍（30毫米/秒至300毫米/秒，在各种实验条件下的平均结果）时，电流和功率增加了约210%，而能耗减少了约60%。随着驱动速度的提高，火星探测器的车身摇晃和颠簸更加明显。车身的角速度增加了约470%，加速度增加了约260%。车轮与障碍物之间的作用力峰值增加了约140%。分别分析了低速时的准静态模型和高速时的多体动力学模型。讨论了如何优化行星探测器的高速行驶和障碍物穿越状态。本研究可为从事高速行星探测器设计和控制器开发的研究人员提供有价值的参考。

引言

无人轮式行星探测器在当前的深空探索中广泛用于行星表面检测和探索（Chien等人，2024年）。以火星探索为例，Sojourner于1997年成功登陆火星，这是人类历史上首次在火星表面进行移动巡逻探索（Lorenz，2020年）。这种类型的火星探测器由于其被动悬挂系统的应用，在崎岖复杂的地形中具有出色的地形适应性和通行能力。基于摇臂-轮式被动悬挂的行星探测器也成为各国火星计划的主要移动系统和有效载荷平台（Sanguino，2017年）。无人行星探测器的成功开发为深空探索项目积累了宝贵的经验，同时也帮助人类更好地了解了行星表面环境。

行星表面的恶劣地形环境给无人行星探测器的探索和行驶带来了巨大挑战。火星的地表地形比月球更为复杂，月球表面主要由松散的月壤构成（Golombek等人，2008年）。基于好奇号火星探测器的测量传感器图像和数据，研究人员将火星地表地形分为沙地、松散岩石、基岩、角状嵌入岩石和圆形嵌入岩石（Ono等人，2015年）。大量崎岖岩石地形的分布阻碍了火星探测器的正常行驶，甚至对其行驶安全和通行能力构成了威胁。好奇号火星探测器的车轮表面有坑洞，粗糙尖锐的岩石地形会加速裂纹扩展（Rankin等人，2021年）。相关研究人员进行了大量的地貌实验和建模研究。分析表明，车轮表面的初始损伤是由摇臂-轮式悬挂系统和六轮驱动系统的不一致驱动模式造成的（Arvidson等人，2024年）。

在行星探索领域，对行星探测器在崎岖行星表面上的行驶状态进行理论分析和地面测试研究已经成为一个重要的研究方向。同时，这些研究为后续的行星探测器路径规划和运动控制调整提供了基础和参考。Johnson（2021年）分析了LRV载人月球探测器车轮在高速遇到障碍物后的动态响应和车轮与地面接触丧失情况。Tang等人（2019年）提出了一种轮驱动扭矩优化算法，用于提高火星探测器车轮的障碍物穿越能力，以解决在崎岖地形穿越过程中驱动扭矩过大的问题。Zhai等人（2018年）提出了一种用于六轮月球探测器在崎岖月面行驶的运动学建模和参数优化方法。Jia等人（2024年）基于模拟的火星地形和土壤系统，进行了行星探测器在不同场景下的行驶测试，并分析了位置和姿态偏差的产生。Liu等人（2023年）和Chen等人（2023年）对祝融号火星探测器的爬坡能力和车辆状态进行了实验研究和理论分析。Yuan等人（2021年）测试并分析了火星探测器在复杂崎岖地形中的移动系统耐用性。Du和Huang（2023年）分析了行星探测器车轮在混合地形（包含可移动的石头和松散土壤）中的接触力和力矩，并进行了仿真和实验研究。Tarokh等人（2013年）提出了一种系统化的方法，用于对穿越崎岖地形的轮式行星探测器进行运动学建模、分析和平衡控制。Noble和Issac（2021年）分析了行星探测器在崎岖岩石上的车轮扭矩，并开发了一种最小化摩擦需求的求解器。Chen等人（2021年）提出了一种同步控制方法，用于软质和崎岖地形上的行星探测器，并通过实验进行了验证。

可以看出，目前关于行星探测器在崎岖地形中行驶状态的研究主要集中在车轮与地面相互作用的理论研究、车辆运动状态参数的测量以及特定场景下解决障碍物问题的控制算法上。我们的调查显示，这个方向的研究存在两个问题。第一个问题是，关于车辆在崎岖地形上穿越障碍物的具体现象和状态的系统研究相对较少。第二个问题是，目前这类问题的研究通常控制行星探测器以非常低的速度穿越障碍物，假设整个过程是静态或准静态的，忽略了驱动速度对探测器状态的影响。然而，驱动速度的提高是无人行星探测器的一个重要发展方向和工程问题（Rodríguez-Martínez等人，2024年；Wang和Li，2016年；Lu等人，2023年）。确保探测器在行星表面以高速度行驶是扩大巡逻范围、提高探测效率以及执行特殊任务的有效且必要的方式（Rodríguez-Martínez等人，2019年）。

因此，行星探测器在崎岖地形中的行驶状态是一个受地形、悬挂系统、速度等多种因素影响的复杂问题。本文以火星探测器的地面模拟移动系统作为研究对象，通过实验研究和理论分析相结合，研究了火星探测器在穿越障碍物时的车辆状态和车轮与地面的作用情况，并主要考虑了速度增加的影响。本研究的实验结果和分析可以为火星探测器控制器和新款高速无人行星探测器的开发提供依据。

本文的其余部分组织如下：第2节介绍了本研究的测试系统、方法和测试指标。第3节给出了具体的测试结果和分析。第4节总结并进一步分析了实验因素和障碍物穿越状态的影响。第5节是对本研究的总结和未来工作。

小节片段

实验和方法

本节主要介绍了用于还原火星表面障碍物穿越场景的测试系统，并制定了测试不同速度下火星探测器障碍物穿越状态的测试和数据采集方案。

实验结果与分析

本研究的具体实验程序主要包括单轮障碍物穿越和辅助的双轮障碍物穿越，以便更直观地比较测试因素对火星探测器障碍物穿越状态的影响。单轮障碍物穿越测试的结果分为两部分：慢速障碍物穿越和快速障碍物穿越。此外，还分析了整个车辆的车身行驶状态和每个车轮的状态

实验因素的影响分析

根据上一节中不同测试因素下火星探测器障碍物穿越测试的结果和分析，结合测试过程的具体现象，可以比较和总结常规障碍物穿越因素对火星探测器状态和车轮与地面相互作用的影响。通过分析火星表面探索任务的实际情况和工程要求，并评估这些因素的影响

结论与未来工作

本研究对六轮摇臂-轮式悬挂火星探测器进行了车轮与地面相互作用测试，并分析了测试结果和现象。开发了一个车轮与地面相互作用测量系统来测量车轮与地面之间的机械相互作用，并介绍了具体的测试方案。在测试中，设置了特定的模拟火星探索场景，如岩石高度、驱动速度和双侧障碍物穿越等作为因素

作者贡献声明

Jia Zhicheng：撰写——初稿、验证、软件开发、方法论研究、概念建模。Jin Jingfu：撰写——审稿与编辑、方法论研究、调查、概念建模。Dong Xinju：撰写——初稿、验证、调查、数据管理。Qi Yingchun：监督、正式分析、数据管理。He Lianbin：可视化处理、项目管理、正式分析。Zou Meng：资源协调、资金争取、概念建模。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本工作部分得到了国家自然科学基金（NSFC）的支持，资助项目编号为52475019、52075217、51775233。

Jia Zhicheng|Jin Jingfu|Dong Xinju|Qi Yingchun|He Lianbin|Zou Meng