柔性底盘运行模式分析与参数优化

发布时间：2020-09-10 21:42

　　 柔性底盘可用于设施农业等狭小空间内的机械化作业和道路运输,实现姿态转向、姿态平移和姿态切换等多种运行方式。本文设计试制了8 kW柔性底盘样机,并进行了姿态转向、姿态平移和姿态切换模式等硬化路面试验。通过试验结果的分析与优化,得到了柔性底盘姿态运行模式最优输入参数,以期为柔性底盘的多姿态运行提供依据。本文取得的主要结论如下:1)设计并试制了基于四轮独立驱动与四轮独立转向技术的8 kW柔性底盘样机。整机尺寸1715×1475×1135 mm,轮距1320 mm,轴距1200 mm,最小离地间隙235 mm,整机质量750 kg,底盘设计额定牵引力2400 N,额定功率8kW,最高设计时速28km·h-1,理论犁耕作业速度5 km·h-1,理论连续犁耕作业时间大于1h。设计并搭建了采用CAN总线通信的模块化分层控制系统,包括了整机状态监测模组、底盘中央控制模组和单轮行走系控制模组。2)分析了柔性底盘姿态转向模式,并进行了硬化路面试验,取得了柔性底盘转向的状态模型。两轮转向,各试验因素对转向准备精度、转向准备时间、转向恢复精度、转向恢复时间、转向切入时间和转向切出时间影响的主次关系是:转向角度电机转速交互作用;对转向切入精度和转向切出精度影响的主次关系是:转向角度电机转速;对于转向保持精度影响的主次关系是:转向角度转向速度;对于转向保持时间影响的主次关系是:转向速度转向角度交互作用。四轮转向,各试验因素对转向准备精度、转向恢复精度、转向切入时间和转向切出时间影响的主次关系是:转向角度电机转速交互作用;对转向准备时间和转向恢复时间影响的主次关系是:交互作用电机转速转向角度;对于转向切入精度影响的主次关系是:转向角度电机转速;对于转向切出精度影响的主次关系是:电机转速转向角度交互作用;对于转向保持精度影响的主次关系是:转向角度转向速度交互作用;对于转向保持时间影响的主次关系是:转向速度转向角度交互作用。3)分析了柔性底盘平移运动,并进行了硬化路面试验,得到了柔性底盘的平移状态模型。在间断平移的准备和恢复阶段中,各试验因素对平移准备精度、平移准备时间、平移恢复精度和平移恢复时间影响的主次关系是:平移角度电机转速交互作用。在连续平移的平移切入和平移切出阶段中,各试验因素对平移切入时间、平移切出精度和平移切出时间影响的主次关系是:平移角度电机转速交互作用;对平移切入精度影响的主次关系是:电机转速平移角度。在间断与连续平移运动共同存在平移保持阶段中,各试验因素对平移保持精度影响的主次关系是:在象限Ⅰ和Ⅲ中为平移速度平移角度,在象限Ⅱ中为平移角度平移速度,在象限Ⅳ中为平移速度平移角度交互作用;各试验因素对平移保持时间影响的主次关系是:在象限Ⅰ和Ⅲ中为平移速度平移角度交互作用,在象限Ⅱ和Ⅳ中为平移速度平移角度。4)分析了柔性底盘姿态切换运动,并进行了硬化路面试验,得到了柔性底盘的姿态切换模型。在横行运行中,各试验因素对切换准备精度和切换恢复精度影响的主次关系是:电机转速平移角度;对切换准备时间和切换恢复时间影响的主次关系是:平移角度电机转速;对横行保持精度和横行保持时间影响的主次关系是:横行速度有极显著的影响。在原地回转运动中,各试验因素对切换准备精度和切换恢复精度影响的主次关系是:电机转速平移角度;对切换准备时间和切换恢复时间影响的主次关系是:平移角度电机转速;对回转保持精度影响的主次关系是:回转切换角度回转角速度;对回转保持时间影响的主次关系是:回转切换角度回转角速度交互作用。5)基于层次分析法和遗传算法对姿态转向、姿态平移和姿态切换模式进行了最优输入参数求解,并对结果进行了验证。两轮转向的优化结果为:转向速度4 m·s-1,电机转速5.4 r·min-1。四轮转向的优化结果为:电机转速为5.4 r·min-1;当转向角度取(0,60°)时,转向速度为(0.00001φ2+0.014φ+3.538)m·s-1,当转向角度取[60°,360°]时,转向速度为4 m·s-1。间断平移的优化结果为:在任意象限内,平移速度为4 m·s-1;电机转速在象限Ⅰ为(0.2480θ+4.5211)m·s-1,在象限Ⅱ为(0.2921θ+3.5456)m·s-1,在象限Ⅲ为(0.3027θ+2.9356)m·s-1,在象限Ⅳ为(0.2944θ+3.2925)m·s-1。连续平移的优化结果为:在任意象限内,平移速度为4 m·s-1;而电机转速在象限Ⅰ为(0.2027θ+9.2392)m·s-1,在象限Ⅱ为(0.1978θ+9.4408)m·s-1,在象限Ⅲ为(0.1970θ+9.3528)m·s-1,在象限Ⅳ为(0.1968θ+9.4864)m·s-1。横行运动的优化结果为:正向运行时,电机转速为5.4 r·min-1,横行速度为3.47 m·s-1;逆向运行时,电机转速为5.4 r·min-1,横行速度为3.54 m·s-1。原地回转运动的优化结果为:正向运行时,电机转速为5.4r·min-1,而回转切换角度为(0,90)°时,回转角速度为(0.0031βsr+0.5146)rad·s-1,回转切换角度为[90,180]°时,回转角速度为0.78 rad·s-1;逆向运行时,电机转速为5.4 r·min-1,而回转切换角度为(0,90)°时,回转角速度为(0.0031βsr+0.5080)rad·s-1,回转切换角度为[90,180]°时,回转角速度为0.78 rad·s-1。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S220
【部分图文】：

姿态切换等多种运行方式。柔性底盘的一代样机主模拟试验，因此对底盘结构和控制系统进行了充分的分反映出柔性底盘在实际运行状态下的运行特性。对柔性底盘一代样机存在的问题，从整机动力、机盘进行了相应的改进，设计并试制了柔性底盘的二代一代样机分析代样机如图 2-1 所示。为了便于理论分析，一代样机简化。整机动力方面，柔性底盘一代样机采用 4 个 W机作为底盘整机的动力来源，并通过 ZXD2400 型直，底盘整机额定功率为 2 kW。机械结构方面，一代单轮行走系的简易矩形平面框架，而单轮行走系的悬叉。控制系统方面，一代样机采用外置式的上位机控内相关控制器与传感器进行数据交换。

和运行区域的限制；3）整机车架和单轮行走系在结构形式、强度和刚度等方面缺用性；4）外置式控制系统的稳定性和实效性问题。.3 柔性底盘样机基本结构.3.1 柔性底盘整机系统柔性底盘 8 kW 样机的总体结构如下：4 个结构相同但相互独立运行的单轮行走布于底盘车架的两侧，分别称之为左前（lf）、右前（rf）、左后（lr）和右后（rr）行走系。4 个单轮行走系与底盘车架通过相互协调配合来为柔性底盘整机提供所需走与转向动力。柔性底盘的动力电池组由 4 块免维护铅酸蓄电池串联而成，并以十的布局分布在底盘车架内部。一方面最大限度的降低了底盘的整机结构尺寸，另一避免了在姿态运行过程中底盘车架和单轮行走系之间可能存在的干涉现象。为了便控制系统的调试与维护，底盘车架的顶部为柔性底盘控制系统的布置区域，控制系为 1 个底盘中央控制子系统和 4 个单轮行走系控制子系统(李翊宁等 2017)。柔性底 kW 样机的几本机构如图 2-2 所示。

图 2-3 单轮行走系基本结构Fig.2-3 Basic structure of single-wheel running system底盘样机动力参数牵引力盘被期望用于设施农业内部，部分或完全替代微型拖拉机来进柔性底盘额定牵引力的确定，需要以轮式拖拉机的的设计流t al. 2011)。为适应设施农业内部的狭小环境，柔性底盘整机尺此选择单铧翻转犁来作为柔性底盘的配套机具，该单铧翻转。表 2-1 单铧翻转犁的技术参数Table 2-1 Technical parameters of single furrow reversible plough犁体质量Plough Quality / kg最大耕深Max. plough depth / cm犁体耕作幅宽Plough width / cm74 18 20

本文编号：2816368