[논문 리뷰] The effects of increasing velocity on the tractive performance of planetary rovers

David Rodríguez‐Martínez, Fabian Buse외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 03.

Agriculture and Farm Safety인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 올리빈 모래와 CaCO₃ 기반 미세모래 토양에서 단일 휠 시험을 통해 행 星 탐사차의 주행 속도 증가가 牵引力 성능에 미치는 영향을 실험적으로 조사한다. 결과적으로 0.2 m/s 이상에서 끌개력과 牵引力 효율이著しく 감소하는 것으로 나타났으며, 휠 침입 깊이도 속도 증가에 따라 증가한다. 유연한 휠은 1 m/s에서 경직된 휠보다 두 배의 끌개력을 기록했고, 저스립 조건에서 18% 낮은 침입 깊이를 보였다.

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...

연구 동기 및 목표

• 행성 탐사차의 주행 속도 증가가 牵引力 성능 지표에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 속도가 다양한 토양 유형에서 끌개력, 牵引力 효율 및 휠 침입 깊이에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다양한 속도와 슬립 비율에서 경직 및 유연한 그루버드 휠의 성능을 비교하기 위해.
• 향후 고속 행성 탐사차를 위한 이동성 향상과 牵引力 손실 간의 균형을 이루는 최적의 속도 범위를 규명하기 위해.
• 로버 주행 시스템의 속도에 따라 변화하는 牵引力 모델 개발을 위한 실증 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• 로봇 암을 사용해 슬립 비율과 휠 속도를 정밀하게 제어하면서 단일 휠 주행 시험을 실시하였다.
• 올리빈 모래(RMCS14)와 CaCO₃ 기반 미세모래 토양(RMCS13) 두 가지 토양 유형에 대해 금속성 그루버드 휠(경직 및 유연)을 사용하였다.
• 0.01에서 1 m/s의 속도 범위와 5%에서 90%의 슬립 비율에서 牵引力 성능을 측정하였다.
• 끌개력 계수, 휠 침입 깊이, 牵引力 효율의 세 가지 핵심 지표를 평가하였다.
• 속도 영향을 다른 변수들로부터 분리하기 위해 통제된 환경 조건을 적용하였다.
• 고속 영상 촬영을 통해 고속에서의 토양 거동 및 휠-토양 상호작용 동역학을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주행 속도 증가가 행성 탐사차 휠의 끌개력 계수에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 다양한 행성 토양 유형에서 속도와 牽引力 효율 간의 관계는 어떠한가?
• RQ3 속도 증가에 따라 휠 침입 깊이는 어떻게 변화하며, 이는 이전 가정과 정면으로 배치되는가?
• RQ4 비결합 토양에서 고속(예: 1 m/s) 조건에서 경직 및 유연 휠 설계의 성능은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 특히 올리빈 모래와 CaCO₃ 기반 토양 간에 고속 조건에서 나타나는 토양 거동의 차이는 무엇인가?

주요 결과

• 0.2 m/s 이상에서 끌개력과 牵引力 효율이 뚜렷이 감소하였으며, 특히 0.4 m/s 이상에서 가장 심한 감소가 관찰되었다.
• 속도 증가에 따라 휠 침입 깊이가 증가하였으며, 이는 고속에서 동적 효과로 인해 침입 깊이가 감소할 것이라는 이전 가정과 반대되는 결과였다.
• 1 m/s에서 유연한 휠은 저스립 조건에서 경직된 휠보다 두 배의 끌개력을 기록했고, 침입 깊이도 18% 낮았다.
• 0.4 m/s 이상에서 올리빈 모래(RMCS14)는 유체 유사 거동을 보였고, CaCO₃ 기반 토양(RMCS13)은 휠에 토양 축적 현상이 뚜렷하게 나타났다.
• 고속에서 성능 저하가 발생하더라도, 0.2–0.3 m/s의 속도 범위에서는 끌개력과 효율이 7% 감소하는 데서 5–10배 빠른 이동이 가능하다.
• 토양 유형이 휠-토양 상호작용에 중대한 영향을 미쳤으며, 고속 조건에서 유체성 거동(올리빈 모래)과 축적 현상(CaCO₃ 기반 토양)을 보이는 명백한 거시적 행동 차이가 관찰되었다.