农用柔性底盘的运动特性与控制策略研究

发布时间：2019-08-01 07:20

【摘要】：农用柔性底盘是根据室内运送或温室作业环境狭小及空间相对封闭的特点而开发的新型电动底盘系统。该底盘采用4个偏置转向轴驱动轮模块,通过控制每个车轮的速度进行底盘的驱动和转向,将传统动力底盘的驱动系和转向系合二为一,可以完成斜行运动、横向运动和原地转向运动等现有底盘系统无法实现的运动形式。本文依托国家自然科学基金项目“温室作业柔性底盘的工作机理与控制策略研究”(编号:51375401),对农用柔性底盘的运动特性及控制策略展开了深入的研究,主要包括:设计并搭建偏置转向轴驱动轮试验台,并进行偏置转向轴驱动轮模块的驱动转向能力和响应特性测试;优化基于电桥电路的偏置转向轴自动跟踪转向系统,并探究偏置转向轴的自动跟踪转向的响应特性;优化改进水平转盘式柔性底盘试验台及其测控系统,探究不同运动姿势和不同轮毂电机转速下的柔性底盘运动与动力特性;对柔性底盘进行了运动分析,根据其运动瞬心决定运动姿势的原理,提出半模式控制柔性底盘姿势变化的方法,并完成了此控制方法的模拟仿真与硬化路面试验;建立了轮毂电机运动模型,偏置转向轴自动跟踪转向运动模型,柔性底盘的动力学仿真模型,并进行硬化路面条件下的试验与模拟分析。以期为柔性底盘的进一步开发及其控制器的改进提供理论依据和技术参数。论文所取得的主要结论如下:1.通过试验台测试明确了轮毂电机的转速响应特性和偏置转向轴驱动轮模块的驱动转向特性。根据柔性底盘的偏置转向轴驱动轮模块的结构特点,设计试制了水平转盘式偏置转向轴驱动轮试验台,开发了数据采集记录和显示软件。利用Matlab/Simulink建立了轮毂电机的运动数学模型。进行了不同垂直载荷和不同轮毂电机设定转速下,轮毂电机的转速响应特性和偏置转向轴驱动轮模块的驱动转向能力的试验。试验结果表明:轮毂电机的转速响应时间与垂直载荷无关,仅与设定转速成正相关关系;在垂直载荷为500.00 N时,其500 W轮毂电机对于偏置转向轴的驱动转向力矩为19.54±0.91 N·m,且偏置转向轴的驱动转向力矩与垂直载荷呈线性正相关关系。2.通过模拟和试验台测试探明了偏置转向轴模块的自动跟踪响应特性。设计搭建了一种基于电桥电路的偏置转向轴自动跟踪转向控制器,利用Matlab/Simulink建立了偏置转向轴自动跟踪转向系统的数学模型。进行了不同垂直载荷、不同轮毂电机转速和不同转向目标角度下,偏置转向轴自动跟踪转向的模拟和响应特性试验。结果表明:偏置转向轴系统可以实现不同转向目标角度的自动跟踪转向。转向目标角度在-90.00°~+90.00°范围时,偏置转向轴的自动跟踪平均转角范围为-88.63±1.54°~+88.17±1.02°,其最大平均绝对误差为1.77°;垂直载荷对偏置转向轴的自动跟踪转向的响应角度的准确性和转向响应时间没有明显影响;转向响应时间,在偏置转向轴正向转向时仅与转向目标角度呈正相关,在偏置转向轴反向转向时与轮毂电机转速和转向目标角度呈负相关;利用电磁摩擦锁的锁紧力可以提高偏置转向轴转向的稳定性。3.模拟并用水平转盘式试验台测试了4个500 W轮毂电机组成的柔性底盘在不同运动姿势下的运动特性与动力特性。利用Matlab/Simulink建立了基于水平转盘式试验台的柔性底盘动力学模型。优化改进了水平转盘式试验台,并进行了不同轮毂电机转速条件下,柔性底盘的直行、45°斜行、原地转向及横行等四种运动形式的试验台运动与动力特性试验。结果表明:柔性底盘运动启动后,四个轮毂电机转速从0增加到设定转速的总体响应时间为2~3 s,其平均值为2.003±0.267 s;4个500 W轮毂电机构成的空载柔性底盘直行牵引力为727.47±17.72 N,横行牵引力为760.14±13.22 N,斜行45°的牵引力为729.29±19.46 N。4.提出了柔性底盘姿势变化的半模式控制方法,并完成了运动模拟仿真。通过对柔性底盘的运动学分析,得到了柔性底盘的活动度,可操作度和机动度;根据其运动瞬心的位置决定着柔性底盘姿势的基本特征,提出了半模式控制柔性底盘姿势变化的方法。设计了用于选择柔性底盘运动瞬心基于极坐标系的模拟控制界面,利用Matlab/Simulink建立了柔性底盘运动仿真模型,并进行了柔性底盘由直行准备姿势向直行运动姿势,斜行运动姿势,横行运动姿势和原地转向运动姿势等四种特殊姿势转换的运动仿真。仿真结果表明:模型能够较好地反映柔性底盘的动力学响应特性,模拟验证了半模式控制方法的有效性。5.完成了半模式控制柔性底盘姿势变化控制器设计及硬化路面实车运行控制试验。针对柔性底盘半模式控制姿势变化方法的工作原理,设计制作了半模式控制姿势变化的控制器。采用模块化设计方法构建了该控制系统的底层硬件部分,结合CAN总线和传感器技术实现了该柔性底盘偏置转向轴的转向角度等数据的采集功能;基于低速阿克曼四轮转向模型与转速闭环控制算法分析,验证了半模式控制柔性底盘姿势变化控制策略的有效性。进行了柔性底盘由直行准备姿势向直行运动姿势,斜行运动姿势,横行运动姿势和原地转向运动姿势变化的硬化路面运行控制试验。结果表明:控制器可以实现柔性底盘姿势变化的控制功能;柔性底盘静止时,偏置转向轴可实现-90.00°~+90.00°范围内自由转向,且转角控制的最大平均绝对误差为0.31°;通过控制器设定好柔性底盘的运动瞬心位置后经2.309 s左右姿势变化完成;且姿势变化完成后的柔性底盘运动试验证明了固定姿势的控制系统的有效性。
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农用柔性底盘的运动特性与控制策略研究

立驱动和四轮独立转向的电动底盘。主要由4个偏置转向轴驱动轮模块和车架组成。4个偏置转向轴驱动轮独立控制，彼此之间没有机械连接。本文所研究的柔性底盘为路敌等（2011a）研制的样机及其主要技术参数分别如图1-1和表1-1所示。与传统底盘相比较，其灵活性大大提高。可通过改变偏置转向臂与车架的夹角改变柔性底盘的姿势，完成传统底盘无法实现的运动形式，如斜行（Parallel moving，，简称PM）、横行（Car left-right，简称CLR）和原地转向（Situ steering，简称SS）运动等，如图1-2所示。图1-1 柔性底盘样机Fig.1-1 Sample vehicle of FC

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设计的承载载荷 Designed bearing loading/（N） 2000.0直行原地转向斜行横行图1-2 柔性底盘的四种常见运动形式Fig.1-2 Four common forms of movement of FC1.3 国内外文献综述依据本文所研究内容，对国内外温室作业动力机械及4WID/4WIS电动底盘等相关领域的研究成果总结如下。1.3.1 室内作业动力机械的研究综述关于室内作业动力机械方面，我国学者对此进行了深入的探讨和研究，例如：孙星钊等（1997）研制了大棚用无轮耕耘机；李达和朱德清（1999）研究了棚室耕整机具；应义斌等（1997）研究了蔬菜棚室用自走式微型旋耕机。孟炜等（2009）研制了电动松土机；李彩霞等（2008）研制了滚齿式电动松土机；何伟宁等（2006）研究了温室电动松土机松土部件的数学模型；周舟等（2009）设计了移动式温室精准施肥机；高辉松等（2012）研制了大棚用电动微耕机；申屠留芳等（2013）设计了大棚电动自走式撒肥机；
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S220

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