[論文レビュー] The effects of increasing velocity on the tractive performance of planetary rovers

David Rodríguez‐Martínez, Fabian Buse+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2023

Agriculture and Farm Safety被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、オリビン砂およびCaCO₃由来のシルト状土壌上での単一ホイール試験を用いて、惑星探査車の牽引力性能に及ぼす速度上昇の影響を実験的に調査した。結果から、0.2 m/sを超えるとドライブバー引張力および牽引効率が著しく低下する一方で、ホイール沈下量は速度に比例して増加する。1 m/sの速度で、柔軟なホイールは剛性ホイールを上回り、ドライブバー引張力は2倍、沈下量は18%低減した。

ABSTRACT

An emerging paradigm is being embraced in the conceptualization of future planetary exploration missions. Ambitious objectives and increasingly demanding mission constraints stress the importance associated with faster surface mobility. Driving speeds approaching or surpassing 1 m/s have been rarely used and their effect on performance is today unclear. This study presents experimental evidence and preliminary observations on the impact that increasing velocity has on the tractive performance of planetary rovers. Single-wheel driving tests were conducted using two different metallic, grousered wheels-one rigid and one flexible-over two different soils, olivine sand and CaCO3-based silty soil. Experiments were conducted at speeds between 0.01-1 m/s throughout an ample range of slip ratios (5-90%). Three performance metrics were evaluated: drawbar pull coefficient, wheel sinkage, and tractive efficiency. Results showed similar data trends among all the cases investigated. Drawbar pull and tractive efficiency considerably decreased for speeds beyond 0.2 m/s. Wheel sinkage, unlike what published evidence suggested, increased with increasing velocities. The flexible wheel performed the best at 1m/s, exhibiting 2 times higher drawbar pull and efficiency with 18% lower sinkage under low slip conditions. Although similar data trends were obtained, a different wheel-soil interactive behavior was observed when driving over the different soils. Overall, despite the performance reduction experienced at higher velocities, a speed in the range of 0.2-0.3 m/s would enable 5-10 times faster traverses, compared to current rovers driving capability, while only diminishing drawbar pull and efficiency by 7%. The measurements collected and the analysis presented here lay the groundwork for initial stages in the development of new locomotion subsystems for planetary surface exploration. At the same time...

研究の動機と目的

• 惑星探査車の牽引力性能指標に及ぼす走行速度上昇の影響を調査すること。
• 速度が異なる土壌種別にドライブバー引張力、牽引効率、ホイール沈下量に与える影響を評価すること。
• さまざまな速度およびスリップ比条件下での剛性および柔軟なグーパー付きホイールの性能を比較すること。
• 将来の高速走行を想定した惑星探査車のための、移動性の向上と牽引力損失のバランスが取れる最適な速度範囲を特定すること。
• 探査車の移動システムにおける速度依存型牽引力モデルの開発に役立つ実験的データを提供すること。

提案手法

• スリップ比とホイール速度を正確に制御できるロボットアームを用いて、単一ホイール走行試験を実施した。
• 金属製のグーパー付きホイール（剛性および柔軟）を、オリビン砂（RMCS14）およびCaCO₃由来のシルト状土壌（RMCS13）の2種類の土壌で使用した。
• 0.01〜1 m/sの速度範囲および5%〜90%のスリップ比で、牽引力性能を測定した。
• ドライブバー引張力係数、ホイール沈下量、牽引効率という3つの主要指標を評価した。
• 速度の影響を他の要因から分離するため、制御された環境条件下で実験を実施した。
• 高精度な高速動画記録により、高速走行時の土壌挙動およびホイール-土壌相互作用のダイナミクスを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 走行速度の上昇が、惑星探査車ホイールのドライブバー引張力係数にどのように影響するか？
• RQ2 異なる惑星土壌種別における速度と牽引効率の関係は何か？
• RQ3 ホイール沈下量は速度上昇に伴いどのように変化するか？これは従来の仮定と矛盾するか？
• RQ4 不固結土壌上での高速走行（例：1 m/s）において、剛性ホイールと柔軟ホイールの性能はどのように比較できるか？
• RQ5 高速走行時、特にオリビン砂とCaCO₃由来土壌の間で、土壌挙動にどのような相違が生じるか？

主な発見

• 0.2 m/sを超えると、ドライブバー引張力および牽引効率が著しく低下し、特に0.4 m/sを超えると顕著な低下が観察された。
• ホイール沈下量は速度に比例して増加したが、これは高速走行時に動的効果により沈下量が減少するとの従来の仮定とは逆の結果であった。
• 1 m/sの速度で、柔軟ホイールは低スリップ条件下で剛性ホイールと比較して、ドライブバー引張力が2倍、沈下量が18%低減した。
• 0.4 m/sを超えると、オリビン砂（RMCS14）は流動的挙動を示した一方、CaCO₃由来土壌（RMCS13）はホイールに土壌付着が顕著に見られた。
• 高速走行による性能低下にもかかわらず、0.2〜0.3 m/sの速度範囲では、ドライブバー引張力および効率の低下が7%にとどまる一方で、走行速度が5〜10倍に向上した。
• 土壌種別によりホイール-土壌相互作用に顕著な差が見られ、高速走行時におけるマクロな挙動として、オリビン砂では流動性、CaCO₃土壌では付着が顕著に観察された。