農(nóng)用柔性底盤的運(yùn)動(dòng)特性與控制策略研究.pdf

1、農(nóng)用柔性底盤是根據(jù)室內(nèi)運(yùn)送或溫室作業(yè)環(huán)境狹小及空間相對封閉的特點(diǎn)而開發(fā)的新型電動(dòng)底盤系統(tǒng)。該底盤采用4個(gè)偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪模塊，通過控制每個(gè)車輪的速度進(jìn)行底盤的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，將傳統(tǒng)動(dòng)力底盤的驅(qū)動(dòng)系和轉(zhuǎn)向系合二為一，可以完成斜行運(yùn)動(dòng)、橫向運(yùn)動(dòng)和原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)等現(xiàn)有底盤系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)形式。
　　本文依托國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“溫室作業(yè)柔性底盤的工作機(jī)理與控制策略研究”（編號(hào):51375401），對農(nóng)用柔性底盤的運(yùn)動(dòng)特性及控制策略展開了深入

2、的研究，主要包括:設(shè)計(jì)并搭建偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪試驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪模塊的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向能力和響應(yīng)特性測試;優(yōu)化基于電橋電路的偏置轉(zhuǎn)向軸自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并探究偏置轉(zhuǎn)向軸的自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向的響應(yīng)特性;優(yōu)化改進(jìn)水平轉(zhuǎn)盤式柔性底盤試驗(yàn)臺(tái)及其測控系統(tǒng)，探究不同運(yùn)動(dòng)姿勢和不同輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速下的柔性底盤運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力特性;對柔性底盤進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)瞬心決定運(yùn)動(dòng)姿勢的原理，提出半模式控制柔性底盤姿勢變化的方法，并完成了此控制方法的模擬仿真與硬化路面

3、試驗(yàn);建立了輪轂電機(jī)運(yùn)動(dòng)模型，偏置轉(zhuǎn)向軸自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)模型，柔性底盤的動(dòng)力學(xué)仿真模型，并進(jìn)行硬化路面條件下的試驗(yàn)與模擬分析。以期為柔性底盤的進(jìn)一步開發(fā)及其控制器的改進(jìn)提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。論文所取得的主要結(jié)論如下:
　　1.通過試驗(yàn)臺(tái)測試明確了輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性和偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪模塊的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向特性。根據(jù)柔性底盤的偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)試制了水平轉(zhuǎn)盤式偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪試驗(yàn)臺(tái)，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集記錄和顯示軟件。利用M

4、atlab/Simulink建立了輪轂電機(jī)的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。進(jìn)行了不同垂直載荷和不同輪轂電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速下，輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性和偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪模塊的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向能力的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間與垂直載荷無關(guān)，僅與設(shè)定轉(zhuǎn)速成正相關(guān)關(guān)系;在垂直載荷為500.00 N時(shí)，其500W輪轂電機(jī)對于偏置轉(zhuǎn)向軸的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向力矩為19.54±0.91 N·m，且偏置轉(zhuǎn)向軸的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向力矩與垂直載荷呈線性正相關(guān)關(guān)系。
　　2.通過模擬和試驗(yàn)

5、臺(tái)測試探明了偏置轉(zhuǎn)向軸模塊的自動(dòng)跟蹤響應(yīng)特性。設(shè)計(jì)搭建了一種基于電橋電路的偏置轉(zhuǎn)向軸自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向控制器，利用Matlab/Simulink建立了偏置轉(zhuǎn)向軸自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。進(jìn)行了不同垂直載荷、不同輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速和不同轉(zhuǎn)向目標(biāo)角度下，偏置轉(zhuǎn)向軸自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向的模擬和響應(yīng)特性試驗(yàn)。結(jié)果表明:偏置轉(zhuǎn)向軸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)向目標(biāo)角度的自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向目標(biāo)角度在-90.00°～+90.00°范圍時(shí)，偏置轉(zhuǎn)向軸的自動(dòng)跟蹤平均轉(zhuǎn)角范圍為-88

6、.63±1.54°～+88.17±1.02°，其最大平均絕對誤差為1.77°;垂直載荷對偏置轉(zhuǎn)向軸的自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向的響應(yīng)角度的準(zhǔn)確性和轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間沒有明顯影響;轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間，在偏置轉(zhuǎn)向軸正向轉(zhuǎn)向時(shí)僅與轉(zhuǎn)向目標(biāo)角度呈正相關(guān)，在偏置轉(zhuǎn)向軸反向轉(zhuǎn)向時(shí)與輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向目標(biāo)角度呈負(fù)相關(guān);利用電磁摩擦鎖的鎖緊力可以提高偏置轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性。
　　3.模擬并用水平轉(zhuǎn)盤式試驗(yàn)臺(tái)測試了4個(gè)500 W輪轂電機(jī)組成的柔性底盤在不同運(yùn)動(dòng)姿勢下的運(yùn)動(dòng)特

7、性與動(dòng)力特性。利用Matlab/Simulink建立了基于水平轉(zhuǎn)盤式試驗(yàn)臺(tái)的柔性底盤動(dòng)力學(xué)模型。優(yōu)化改進(jìn)了水平轉(zhuǎn)盤式試驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行了不同輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速條件下，柔性底盤的直行、45°斜行、原地轉(zhuǎn)向及橫行等四種運(yùn)動(dòng)形式的試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力特性試驗(yàn)。結(jié)果表明:柔性底盤運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)后，四個(gè)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速從0增加到設(shè)定轉(zhuǎn)速的總體響應(yīng)時(shí)間為2～3 s，其平均值為2.003±0.267 s;4個(gè)500 W輪轂電機(jī)構(gòu)成的空載柔性底盤直行牽引力為727.47±17

8、.72 N，橫行牽引力為760.14±13.22 N，斜行45°的牽引力為729.29±19.46 N。
　　4.提出了柔性底盤姿勢變化的半模式控制方法，并完成了運(yùn)動(dòng)模擬仿真。通過對柔性底盤的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到了柔性底盤的活動(dòng)度，可操作度和機(jī)動(dòng)度;根據(jù)其運(yùn)動(dòng)瞬心的位置決定著柔性底盤姿勢的基本特征，提出了半模式控制柔性底盤姿勢變化的方法。設(shè)計(jì)了用于選擇柔性底盤運(yùn)動(dòng)瞬心基于極坐標(biāo)系的模擬控制界面，利用Matlab/Simulink建立了

9、柔性底盤運(yùn)動(dòng)仿真模型，并進(jìn)行了柔性底盤由直行準(zhǔn)備姿勢向直行運(yùn)動(dòng)姿勢，斜行運(yùn)動(dòng)姿勢，橫行運(yùn)動(dòng)姿勢和原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)姿勢等四種特殊姿勢轉(zhuǎn)換的運(yùn)動(dòng)仿真。仿真結(jié)果表明:模型能夠較好地反映柔性底盤的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，模擬驗(yàn)證了半模式控制方法的有效性。
　　5.完成了半模式控制柔性底盤姿勢變化控制器設(shè)計(jì)及硬化路面實(shí)車運(yùn)行控制試驗(yàn)。針對柔性底盤半模式控制姿勢變化方法的工作原理，設(shè)計(jì)制作了半模式控制姿勢變化的控制器。采用模塊化設(shè)計(jì)方法構(gòu)建了該控制系統(tǒng)的

10、底層硬件部分，結(jié)合CAN總線和傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了該柔性底盤偏置轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向角度等數(shù)據(jù)的采集功能;基于低速阿克曼四輪轉(zhuǎn)向模型與轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制算法分析，驗(yàn)證了半模式控制柔性底盤姿勢變化控制策略的有效性。進(jìn)行了柔性底盤由直行準(zhǔn)備姿勢向直行運(yùn)動(dòng)姿勢，斜行運(yùn)動(dòng)姿勢，橫行運(yùn)動(dòng)姿勢和原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)姿勢變化的硬化路面運(yùn)行控制試驗(yàn)。結(jié)果表明:控制器可以實(shí)現(xiàn)柔性底盤姿勢變化的控制功能;柔性底盤靜止時(shí)，偏置轉(zhuǎn)向軸可實(shí)現(xiàn)-90.00°～+90.00°范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)向，