电动铰接式履带车辆动力学分析及路径跟踪控制方法研究

发布时间：2020-06-13 22:25

【摘要】：铰接式履带车辆将两个双履带单元铰接在一起,通过偏转履带单元的角度实现转向,克服了双履带车辆转向性能的不足,具有很高的通过性和机动性,能够满足沼泽、沙漠、雪地及崎岖路面的行驶需要。传统的铰接式履带车辆多以柴油机为动力,需控制车辆的排放以避免环境污染,此外,铰接式履带车辆的行驶路况复杂,工作环境恶劣,对操作人员的人身安全具有一定威胁,对铰接式履带车辆路径跟踪控制系统的研究则可以提高车辆在复杂环境中智能化行驶的能力。本文结合国家自然科学基金项目“多履带行走装置机电耦合动力学及自适应控制”(No.51775225),对电动铰接式履带车辆的机电耦合性能与基于视觉导航的路径跟踪控制系统进行了研究,建立了机电耦合动力学模型,得到了电气部分与机械部分在典型行驶工况下的参数变化规律,并提出了基于模糊PID算法的铰接式履带车辆路径跟踪系统的控制方法。首先对国内外在铰接式履带车辆动力学分析、机电耦合研究与路径跟踪控制等领域的研究现状进行了综述。根据铰接式履带车辆的结构特点和运动特性,建立了非稳态转向过程的动力学方程,并结合感应电机的动态特性,建立直行与转向两种典型工况下铰接式履带车辆的机电耦合动态模型,通过数值分析得到了典型工况下电气参数和机械参数的变化规律。为了验证铰接式履带车辆机电耦合动力学模型的准确性,利用虚拟样机技术,在多体动力学软件RecurDyn中建立铰接式履带车辆的虚拟样机模型,并结合在Matlab/Simulink中建立的感应电机模型进行联合仿真分析;设计制造了铰接式履带车辆的物理样机模型,验证了数值计算及虚拟样机仿真结果的正确。以转向不准确度和滑移率为评价指标,通过虚拟样机仿真分析,得到了两侧履带速度差与铰接点偏转角度的匹配与车辆转向准确度和转向稳定性关系。对铰接式履带车辆的路径跟踪控制系统进行了设计,提出了以实际路径与规划路径之间的偏差作为目标,通过改变两侧履带的行驶速度和铰接点偏转角度来控制车辆行驶的控制系统总体方案。根据模糊PID的控制原理,设计了铰接式履带车辆路径跟踪系统的模糊PID控制器,根据相应的控制需求编辑合理的模糊规则,以车辆实际行驶路径和预设路径之间的距离偏差和航向角偏差作为控制器输入变量,通过控制车辆两侧履带行驶速度和铰接点偏转角度来调节车辆的位置和姿态。为了验证模糊PID控制器的控制性能,对铰接式履带车辆在直线和曲线路径下的路径跟踪行驶进行了仿真分析,结果表明在模糊PID控制器的调控下,铰接式履带车辆能够较为快速准确地对预设路径进行跟踪行驶,验证了控制器的参数设计合理,且具有较高的控制精度。设计了基于视觉导航方法的铰接式履带车辆路径跟踪控制试验平台。在路径跟踪控制系统中,将经过图像处理后的预设路径拟合为可引导铰接式履带车辆行驶的导航曲线,通过在图像像素矩阵中建立的坐标系对车辆行驶过程中的距离偏差和航向角偏差进行测量。分别对预设的直线路径与曲线路径进行路径跟踪行驶,得到了行驶过程中的距离偏差和航向角偏差,以及两侧履带行驶速度和铰接点偏转角度的变化,验证了所设计的铰接式履带车辆路径跟踪控制系统具有良好的控制性能。综上所述,本文建立了铰接式履带车辆的机电耦合动力学模型,并通过试验进行了验证。开发了基于视觉导航的铰接式履带车辆的路径跟踪控制系统。论文的研究工作为电动铰接式履带车辆的开发及提高车辆的智能化水平提供了参考。
【图文】：

模型图,虚拟样机,模型,电动推杆

还需要设定路面类型，以及相应的土壤正应力、内摩擦模数、变形深度以及变形指数等关键参数。在Track/LM低速履带模块中建立铰接式履带车辆的虚拟样机模型，如图3.4所示。所设计的铰接式履带车辆的最高行驶速度为 0.4m/s，前后两个双履带车辆之间由两个铰接架连接，并由一个电动推杆推动前后履带绕铰接点偏转，偏转角度范围为±20o。图 3.4 虚拟样机模型由于铰接点的偏转是依靠电动推杆推动的，因此需要确定电动推杆伸长量与铰接点偏转角度之间的几何关系，如图 3.5 所示，图中 TDF、TDR点分别为电动推杆与前后

模型图,样机,物理,模型

主要用来采集感应电机的电流、频率以及驱动转矩。铰接式履带车辆的物理样机模型如图3.6 所示。图 3.6 物理样机模型（1）履带行走装置本铰接式履带车辆的物理样机模型由两组纵向排列的双履带组构成，如图 3.7 所示，，二者的参数相同，并且与虚拟样机模型的参数一致，具体参数如表 2.1 所示。各条履带均采用感应电机驱动，最高行驶速度为 0.4m/s。基于此两组完全相同的双履带组，构造铰接式履带车辆物理样机模型。图 3.7 履带行走装置（2）铰接转向机构依靠电动推杆推动前后车绕铰接点相对转动，来调节车辆的转向角度和行驶方向。添加连杆机构，用来防止电动推杆伸出量过大而造成前后履带组干涉，如图 3.8 所示。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U469.694

【参考文献】