行星轮式电动四驱车辆的研究与模型车的开发

发布时间：2020-10-13 02:44

　　 农田的地面情况较复杂,土质松软,田间作业时车辆常常会遇到过沟渠、爬田埂、越泥泞等情况,作业车辆要求有良好的通过性能和越野性能。农田作业应用较多的是轮式和履带式车辆,它们都存在越野性或机动性等不足。所以,研究车辆的越野性能和行走机构的越障性能,对农业车辆在农田等复杂地面通过能力的提高有重要的意义。本文针对农田复杂的地面情况,研究了各种越障机构的功能和机构特点,分析了行星轮机构的特点——轮式行驶模式和半步行移动模式可以进行切换,构造较简单;改进了行星轮机构,设计出一种具有良好越障能力的行星轮式车辆及其行走机构——行星车轮机构,并制作出它的模型;采用四个电机分别驱动四个行星车轮机构,提出铰接式车辆的差速控制方案,并应用在本设计的模型车上;经过一系列试验,验证了此模型车的行驶性能、越障性能,基本达到了设计要求。具体工作如下:1)分析了国内外车辆行走机构的发展,针对目前农业上多数车辆越障能力不足的现状,提出了行星轮式车辆,确定了本文的研究内容和设计目标。2)进行了行星轮式车辆总体方案的设计,根据研究目的,通过分析和对比,采用四驱方式,铰接式车架,选择四个电机独立驱动四个行星车轮机构,根据Ackermann-Jeantand模型提出四驱铰接式车辆的转向模型,确定了电子差速策略的研究方向,以电机转速为控制策略,做出控制策略。3)电机控制驱动系统设计是行星轮式车辆电子差速系统的关键部分。本文选用单片机STM32F103ZET6作为控制芯片,BTN7970作为电机驱动芯片。电子差速系统以转速为控制变量,采用PID控制方案,实现电机转速的精确控制。在此基础上,提出了适合铰接式车辆的四轮差速算法,推导出各电机在每个时刻转速的方程。分析了车辆运行的工作模式——加速、匀速、越障、转向,在越障模式下电机采用力矩控制,最后做出了整车的控制策略。4)根据理论分析研究,设计制作出了行星轮式车辆的模型。对行星车轮机构和车架进行了详细的设计,选择了电机和传动方式,制作了控制电路、驱动电路和电源电路,编写了模型差速控制的程序并给出了流程图和编码器配套的计算机程序。5)最后,对设计出的行星轮式车辆模型进行功能测试。通过一系列试验,得到了此模型达到的实际性能指标。结果表明,此模型的行驶性能、越障性能达到设计要求。试验验证了理论分析的有效性,通过对试验的分析与思考,找到了理论和设计上需要改进的地方,为今后的工作指明了方向。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：S229
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景、目的及意义
        1.1.1 行走机构的研究现状
        1.1.2 行星轮式车辆的研究现状
        1.1.3 电动汽车发展的概况
        1.1.4 电动汽车的轮驱方式
    1.2 电动汽车的转向系统
        1.2.1 转向系统的类别
        1.2.2 机械转向系统
        1.2.3 动力转向系统
    1.3 电子差速研究现状和发展
    1.4 研究内容
        1.4.1 本论文的主要工作
        1.4.2 研究的技术路线
第二章 行星轮式车辆总体方案设计
    2.1 行星轮机构
    2.2 驱动形式的选择
    2.3 车架的形式
    2.4 动力源的选择
    2.5 转向方式
    2.6 电子差速策略
    2.7 本章小结
第三章 电机的控制与驱动
    3.1 电机PWM调速原理
    3.2 PID调速控制策略
        3.2.1 速度的检测
        3.2.2 PID参数的整定
    3.3 控制驱动系统的设计
        3.3.1 控制系统
        3.3.2 电机驱动系统
        3.3.3 速度传感器
    3.4 本章小结
第四章 电子差速控制策略研究
    4.1 电子差速转向系统结构
        4.1.1 机械结构
        4.1.2 控制系统
        4.1.3 转向原理
    4.2 速度分析
        4.2.1 速度输入量与速度方程
    4.3 电子差速的工作模式
        4.3.1 轮速的调整
        4.3.2 前后车架偏转的校正
        4.3.3 加减速运行
        4.3.4 匀速前进
        4.3.5 行星车轮越障状态
        4.3.6 控制策略
    4.4 本章小结
第五章 行星轮式车辆模型的开发
    5.1 本章目标
    5.2 机械系统的设计
        5.2.1 行星车轮的设计
        5.2.2 车架的设计
        5.2.3 传动方式的选择
        5.2.4 电机的选择
        5.2.5 整体布局
    5.3 控制驱动系统的设计
        5.3.1 指令输入
        5.3.2 主控电路和电机驱动电路
        5.3.3 离合器及继电器
        5.3.4 绝对值编码器
        5.3.5 电源
    5.4 本章小结
第六章 模型车的功能测试
    6.1 试验的目的
    6.2 试验的内容
        6.2.1 软路面行驶测试
        6.2.2 台阶攀爬测试
        6.2.3 平路转向测试
        6.2.4 平路加速测试
        6.2.5 爬坡测试
    6.3 总体试验结果
    6.4 本章小结
第七章 结论和展望
    7.1 结论
    7.2 展望
参考文献
致谢
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本文编号：2838625