（机械电子工程专业论文）四轮驱动轮式机器人的差速转向及其力矩匹配.pdf

摘要 摘要 在全球能源危机和环境污染的加剧，对汽车工业提出了严峻考验。电动汽 车作为新能源汽车的重要发展方向之一，引起了世界各国汽车研发部门的关注。 四轮移动机器人具有与电动汽车相类似的机械结构和控制系统，其软硬件设计 借鉴了电动汽车的设计原理。 本文首先介绍了轮式机器人在各个国家的研究历史和发展现状，着重介绍 了电子差速系统。在详细分析比较了多个电子差速方案之后，确定采用直流无 刷轮毂电机的四轮独立驱动电子差速方案。 接着本文设计了轮式机器人的硬件实验平台及其控制系统的软件。控制系 统的控制芯片采用1 6 位单片机英飞凌x c l 6 4 c s ，利用其输出多路p w m 波驱动电 机运转并捕捉轮毂电机内部传感器输出的霍尔信号，从而由软件计算车轮反馈 速度，形成速度闭环。 接下来本文对轮式机器人的运动学和动力学进行了建模和分析计算。并以 此为依据确定了轮式机器人平地，直线上坡和平地转向的差速控制策略和动力 匹配策略。 根据前面确定的差速控制策略和动力匹配策略，分别建立了基于模型的p i d 速度控制系统和转矩的模糊控制系统。 最后，对两种控制系统运用m a t l a b 软件进行仿真，在轮式机器人样机上进 行试验，通过大量的试验和仿真的数据及图形，验证了轮式机器人运行稳定性。 关键词：四轮移动机器人无刷直流轮毂电机差速转向模糊算法 a b s t r a c t a b s t r a c t g l o b a le n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o nh a v eb r o u g h to u ts e v e r e c h a l l e n g et oa u t o m o t i v ei n d u s t r y e l e c t r i ca u t o m o b i l eh a sa t t r a c t st h ea t t e n t i o no f a u t o m o t i v er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti n s t i t u t i o n sf r o ma l lo v e rt h ew o r l d ，s i n c ei t r e p r e s e n t so n eo f t h ei m p o r t a n td e v e l o p i n go r i e n t a t i o no f n e we n e r g ya u t o m o t i v e t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ff o u r - w h e e l e dm o b i l er o b o tl e a r n sf r o mt h a to f e l e c t r i ca u t o m o b i l e ，a n dh a st h es i m i l a rm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dc o n t r o ls y s t e m t h er e s e a r c hh i s t o r ya n dc u r r e n td e v e l o p i n gs i t u a t i o no fw h e e l e dm o b i l er o b o t i nd i f f e r e n tc o u n t r i e sw e r ei n t r o d u c e df i r s ti nt h i st h e s i s ，a n dt h ei n t r o d u c t i o no f e l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a ls y s t e mi st h ek e yp a r t a f t e ra n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fa n u m b e ro fe l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a ls y s t e m si nd e t a i l ，b l d ci n - w h e e lm o t o rh a sb e e n a d o p t e df o rt h ef o u r - w h e e l e dd r i v e ne l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a ls y s t e m t h e n ，t h eh a r d w a r ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rw h e e l e dm o b i l er o b o ta n dt h e s o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mw e r ed e s i g n e d t h ec o n t r o lc h i pf o rt h ec o n t r o ls y s t e m i n f i n e o nx c l 6 4 c s1 6 - b i ts c mi su s e dt oo u t p u tm u l t i - c h a n n e lp w mw a v e st od r i v e e l e c t r i c a lm o t o ra n dc a p t u r et h eo u t p u th a l ls i g n a lb yt h es e n s o ri n s i d ew h e e lm o t o r , t h e ni tc a l c u l a t e st h ef e e d b a c ks p e e d so ft h ew h e e l sb ys o f t w a r e ，a n df o r m ss p e e d c l o s e dl o o p m o r e o v e r , t h em o d u l e sw e r em a d ef o rt h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fw h e e l m o b i l er o b o t ，a n dt h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nh a v ea l s ob e e nc a r r i e do u t o nb a s eo f t h i s ，t h ed i f f e r e n t i a lc o n t r o ls t r a t e g ya n dt o r q u em a t c hs t r a t e g yh a v eb e e ne s t a b l i s h e d f o r t h er o b o t st h a ta r er u n n i n go nt h eg r o u n df l o o r , i nl i n eu p g r a d ea n dt u r n i n gr o u n d o nt h eg r o u n df l o o rr e s p e c t i v e l y a n dt h ep i ds p e e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ek i n e m a t i c sm o d u l ea n df u z z y c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt o r q u em a t c hh a v e b e e ne s t a b l i s h e da c c o r d i n g l y f i n a l l y , t h es i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u tf o rt h e s et w ot y p e so fc o n t r o ls y s t e m w i t l lm a t l a bs o f t w a r ea n de x p e r i m e n t sw e r ed o n eo nw h e e l e dm o b i l er o b o t t h e a b s t r a c t r u n n i n gs t a b i l i t yo fw h e e l e dr o b o tw a sv e r i f i e db yd a t e sa n dd i a g r a m sf r o mal a r g e a m o u n to fe x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n s k e yw o r d s ：f o u r - w h e e l e dm o b i l er o b o t ，b l d ci n w h e e lm o t o r , d i f f e r e n t i a l s t e e r i n g ，f u z z ya l g o r i t h m i l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：降 糯年月的日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文储虢1 高 第1 章引言 1 1 研究背景和研究意义 第1 章引言 近年来，在机器人和自动化领域里，具有广泛实际应用前景的轮式移动机 器人的研究吸引了众多研究者的注意。 1 9 9 6 年英国开发出园艺用的机器人，利用c c d 摄像机和左右两轮的转动差 进行导航定位，误差近数厘米，能在无作物处喷洒除草剂，在有作物处喷洒农 药和施肥等精细农业作业。h a t a 等开展了用彩色线条传感器为传感元件对车辆 定向的研究。y o n g 等研制了以微型计算机为基础的车辆导向控制器。c h o i 等则 设计了一种用无线电波定位传感器的自动导向系统。 美国p r o b o t i c s 公司于1 9 9 9 年生产的c y e 小型家用移动式服务机器人，它 可牵引一辆小型拖车在室内运送饮料、信件等生活用品，或牵引吸尘器进行室 内清扫工作：美国d e n n i n g 公司与w i n s o r 工业公司9 0 年代初合作生产的地面吸 尘器r o b o s c r u b ，它采用超声传感检测障碍，并配有高精度激光导航系统。由 这些可以看出，轮式移动机器人在走进普通家庭，改善生活质量方面具有巨大 的市场和广阔的发展前景。 轮式机器人的应用价值远不止此，例如轮式移动机器人在美国的重要应用 之一就是作为月球车探测月球。 我国一直比较重视移动机器人的研究，国家“8 6 3 智能机器人组把智能移 动机器人的研究作为今后发展的重点。我国己经陆续研制出一些水平很高的智 ，能移动机器人，如沈阳自动化所的a g v ( 自动导航小车) ，清华大学的自主车、上 海大学的“导购机器人及哈工大机器人研究所的“导游机器人 ，交大的月球 车等。 1 1 1 四轮驱动轮式机器人的优越性 四轮驱动的轮式机器人与两轮驱动的轮式机器人相比，优势是非常明显的： 1 提高通过性：由于四轮驱动机器人的四个车轮都传递动力，因此所获得 的驱动力是两轮驱动的2 倍。且前后轮相互支持，这样大大提高了在湿滑冰雪 l 第1 章引言 路面和凹凸不平路面的通过性。 2 提高爬坡性：同理，四轮驱动的轮式机器人可以爬上两轮驱动轮式机器 人爬不上去的陡坡。 3 转弯性能极佳：轮胎的附着力与传输至道路的动力大小有密切的关系， 随动力的增大，轮胎的转弯力趋向减小。动力减小，转弯力升高，提高湿滑路 面与变换车道时的性能 4 启动和加速性能极佳：四轮驱动的轮式机器人，四个车轮都可同时提供 动力，四个车轮的附着力都可以被有效利用。所以即使猛然将加速踏板踩到底， 车轮也不可能空转，从而提高了轮式机器人的启动和加速性能。 5 直线行驶稳定性：由于每个车轮的剩余附着力升高，所以车轮抗外界扰 动的能力得到增强。因此四轮驱动机器人显示出优越的方向稳定性。 当然，四轮驱动的轮式机器人相对两轮的也有一些缺点，重量增加，结构 复杂，成本提高，能耗增加等，但对于一个可以遥控和自动导航的机器人来说， 这些缺点是微乎其微的。 1 1 2 四轮驱动差速转向的轮式机器人优越性 首先，差速转向的基础是电子线控转向，与传统的机械液压转向相比，省 去了复杂的传动装置，转向的控制也不再需要方向盘，是目前比较适合遥控机 器人的一种转向方式。 四轮差速转向的轮式机器人与两轮差速转向的轮式机器人相比，低速转弯 ： 时转向半径小，灵活性高，并且稳定性，可靠性大大增加，甚至可实现原地转 一 ： 向。 。+ 1 2 国内外研究历史和发展现状 1 2 1 国内外移动机器人研究历史和发展现状 移动机器人的研究始于2 0 世纪6 0 年代末期斯坦福研究院( s r i ) 的n i l s n i l s s e n 和c h a r l e sr o s e n 等人，于1 9 7 2 年研制出了自主移动机器人s h a k e y ， 目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和 2 第l 章引青 控制。2 0 世纪7 0 年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展移动机器人研 究叉出现了新的高潮t 特别是在8 0 年代中期以来，设计和制造机器人的浪潮席 卷全世界。 美国为了探测火星而研究移动机器人已经有数年的历史。 美国喷气式推进实验室( j p i ) 研制的s o j o u r n e r 机器人( 图l1 ) 千1 9 9 7 年7 月发射到火星表面，该机器人采用六轮摇臂吊式机械结构，四个角轮具有 独立驱动和控制能力：在表面安装了一套特制的抗辐射部件，i n 部的电子元器 什具备抗超高温，超低温的强辐射的能力：采用五个激光条纹投影仪，三个陀 螺，三个石英加速计，撞击检测开关，在车体前端还安装了台c c d 相机：f i d o 机器人是j p l 的另一个成果火星探测车a t h e n a 的地面样机，该机器人也采用六 轮摇臂吊式机械结构，六轮可独立驱动，越障和爬坡能力强。 美国卡内基一梅隆大学( c m u ) 研究的n o m a d ( 图l2 ) 采用四轮机构，四轮 具有独立驱动兼导向能力。其行驶机构由可变形的底盘，均化悬挂系统和自包 古轮组成。可变形的底盘在运输过程中的体积较小，在运行时具有较大的覆盖 面积。均化悬挂系统可以平滑机器人术体相对于轮子的运动。这种结构可保证 在各种地形情| 兄下四轮都能着地。 已经成功着陆火星的机遇弓和勇气弓是人类历史上最先进的移动探测机器 人之一。它们的轮式结构是全世界目前最先进的轮式结构，具有强大的越障能 力，原地3 6 0 度转弯的能力以及伸缩性。它们装有的先进仪器可以给我们提供 有关火星的全新图像，并且可以自动搜寻最感兴趣的岩石和土壤。 图11 机器人s o j o u r n e r 图i2 机器人n o m a d 国内对机器人的研究始于二十世纪八十年代。 第1 章引言 清华大学研制的智能车在行驶时主要通过摄像机和激光雷达两只“眼睛 来探路，它们把“看 到的路况及时传达给车体模拟驾驶台。模拟驾驶台上的 方向盘、油门踏板、刹车踏板都装有位置传感器，并和计算机相连。模拟驾驶 台收到路况信息后，会通过计算机指挥方向盘、油门等装置迅速作出相应的动 作，使车体能够自动躲避障碍、加速或者慢行。 d y i 型导游服务机器人是海尔一哈工大机器人技术公司推出的第一代智能 导游机器人，该机器人由伺服驱动系统，多传感器信息避障及路径规划系统， 语音识别及语音合成系统组成。导游机器人由蓄电池供电，可连续运行四小时， 在一定的环境下可自主行走，并且能识别出障碍物是人还是路障，发出不同的 反应。游客通过语音识别系统可以和机器人进行简单的对话。该种机器人可应 用于科技馆、商店和旅游场所进行导游服务。该公司研制的第二代导游机器人 增加了多媒体功能，具有自动查询和场景解说等本领。 上海交通大学机器人研究所自1 9 9 7 起开始月球车及其关键技术的探索研 究，截至目前先后制作了6 辆不同结构的月球探测车。为了加速月球车的研究 工作，上海交通大学又启动了一项“吴刚计划 。 沈阳新松机器人自动化股份有限公司( 中国科学院沈阳自动化所为主发起 人投资组建的高科技公司) 开发生产多种系列的机器人产品，其中移动机器人 一自动导引车( a g v ) 技术和产品拥有该领域内我国唯一自主版权，该系统操作 简便、性能稳定可靠，技术水已跻身国际先进行列，并通过了i s 0 9 0 0 1 国际质 量认证。新松公司的自动导引车主要有装配型和搬运型两大类：装配型a g v 主 要用于汽车生产线，实现了发动机、后桥、油箱等部件的动态自动化装配，也 用于大屏幕彩色电视机和其它产品的自动化装配线，极大的提高了生产效率。 搬运型a g v 广泛应用于机械、电子、纺织、造纸、卷烟、食品等行业，是建设 无人化车间、自动化立体仓库，实现仓储物流自动化管理的最佳选择。 1 2 2 国内外电子差速研究历史和发展现状 电子差速的基础是电子线控转向系统。奔驰公司在1 9 9 0 年开始了前轮线控 转向的研究：欧洲b r i t ee u r a r n 对设计车辆安全相关的容错系统进行研究，并 制作了线控转向的样机作为代表，证明这种概念的可行性；德国k a i s e r s l a u t e r n 大学和奔驰公司联合开发的样机，在实验室的测试结果表明样机能够同时容许 4 第1 章引言 一个执行器( 包括微机) 故障和一个传感器故障；在2 0 0 0 年九月的法兰克福卡 车展览会上，奔驰与z f 展示了自己的线控转向系统。美国的d e l p h i 也开发了 线控转向系统。 2 0 0 2 年1 1 月在德国慕尼黑举行的t t a 组织的论坛上，展出了a u d i s 8 的线 控转向系统，道路识别系统将线路轨迹的信息通过t t p 总线传给计算机，计算 机控制汽车的转向系统沿着道路行驶，驾驶员可以随时对线控系统进行纠正。 国内对于电动汽车电子差速转向的研究与国外的距离不大。 浙江大学的电气工程学院对于两轮驱动轮毂电机的电动汽车系统进行了一 系列的研究：轮毂电机控制系统，电子差速控制系统；提出了基于车轮与地面 附着系数为控制对象的新型电子差速控制方案，减少了车辆发生滑转的可能性。 考虑转弯时车轮的垂直载荷的变化，以使两驱动轮的附着率相等为目标，并以 此为依据分配两轮的驱动转矩，从而使得车辆发生滑转的可能性见到最小，考 虑风阻力和轮胎侧向力的作用等多种因素，在给定总功率输出下，对车辆的运“ 动状态进行了仿真，得出结论：在转速和转角都较大时，转矩分配比例变化较 大，此时车体运动的离心力产生的侧翻力矩起了决定性的作用。 四轮驱动的电动汽车在转向时，存在着部分车轮的转速过快或过慢，这会 导致汽车转向困难，出现某些车轮与地面作相对的平移滑动，从而增大了车轮 与地面的摩擦力，加速车轮的磨损，甚至还会对汽车的其它部件造成损害。同 济大学汽车学院的一项专利四轮电子差速转向控制系统提供了一种四轮电 子差速转向系统，它能保证行驶时各个车轮与地面间保持纯滚动状态，减小车 轮和地面的摩擦力，延长各部件的使用寿命。在2 0 0 5 年上海工博会上展出的“春 晖三号的转向和驱动系统均采用了线控技术，使用电子差速方案实现转向。 1 3 研究内容介绍 如前两节所述，轮式机器人在军用，探测，民用，安防等方面具有极大的 应用空间和市场潜力。而国内外近年来的差速转向的电动汽车热更是为轮式机 器人的设计提供了详细的参考资料。 本文轮式机器人的设计参照了电动汽车的设计，并简化了机械结构和控制 系统，同时结合电机控制和汽车控制理论优化机器人控制算法，减少了轮式机 器人转向时四轮和地面间的平移滑动。 5 第1 章引言 下面是各章节内容安排： 1 第二章设计轮式机器人的运动结构： 2 第三章设计轮式机器人电机控制与驱动系统； 3 第四章对轮式机器人进行运动学建模，并进行相应的分析，确定相应的 差速转向方案； 4 第五章对轮式机器人进行动力学建模，并进行相应的分析，确定相应的 转矩模糊控制方案； 5 第六章集中对前面几章的理论和算法进行仿真和实验； 6 第七章为总结和展望。 1 4 本章小结 本章首先介绍了轮式机器人研究的背景和意义，接着又叙述了国内外对于 轮式移动机器人和电子差速的研究历史和现状。后面又对要研究的机器人有了 一个大概的介绍，对本文各章节将要研究的内容进行概括和总结。 6 第2 章机械系统设计 第二章机械系统设计 轮式机器人一般由车体、蓄电池、充电系统、驱动装置、转向装置、车上 控制器、通信装置：信息采样装置等组成，前后部分还可以安装安全挡圈，常 采3 6 v 或4 8 v 直流工业蓄电池为动力。驱动装置由车轮、电动机及速度控制器 等部分组成。驱动命令由单片机发出，驱动的速度与方向是两个独立的变量， 它们分别由单片机控制。速度调节可采用不同的方法，如用脉宽调速或变频调 速等。轮式机器人在直线行走、拐弯和接近停位点时要求不同的车速，直线行 走速度常达3 5 m s ，拐弯时为0 2 m s 0 6 m s ，接近停位点时为0 1 m ，【4 4 】 jso 本轮式机器人由车体、蓄电池、驱动装置、转向装置、车上控制器、通信 装置、导航装置等组成，而车体，转向装置构成的机械系统作为载体，负载了 其他所有装置。可以说，轮式机器人机械系统是整个轮式机器人的基础，而轮 式机器人的性能也很大程度上取决于机械系统设计是否合理。 2 1 底盘结构设计 轮式机器人的底盘与汽车底盘结构类似，设计中参照了汽车底盘的机构。 2 1 1 结构形式选择 这里的结构形式包括三个方面：轴数，驱动形式和转向形式。 汽车可以有两轴、三轴、四轴甚至更多的轴数。汽车影响选取轴数的因素 主要有车辆的总质量、道路法规对轴载质量的限制和轮胎的负荷能力。由于我 们设计的轮式机器人载重相对小，同时考虑到双轴车辆结构简单、制造成本低， 故采用两轴形式。 为了便于轮式机器人的控制，同时简化其构造，该轮式机器人采用轮毂电 机驱动。 汽车驱动形式有4 2 、4 x 4 、6 2 、6 4 、6 6 、8 4 、8 8 等，其中前 一位数字表示汽车车轮总数，后位数字表示驱动轮数。四轮的轮式机器人运 7f 第2 章机械系统设计 动比较灵活，而同时为了增加轮式机器人的驱动能力，采用四轮全桥驱动形式 4 4 。 前面选取了轮毂电机作为驱动源，因此差动转向是一个很好的选择，同时 辅助以四连杆转向机构，协调左右轮转角的同步，在保证转向灵活并使结构简 单的基础上，考虑采用前轮转向，内置四连杆转向装置。 2 1 2 参数确定 这里的参数包括车身结构参数，质量参数和轮式机器人的性能参数。 2 1 2 1 车身结构参数 车身的机构参数主要包括车身总体尺寸，轴距和轮距。 ( 1 ) 轴距l 轴距l 对整乍质量、整车总长、最小转弯直径、纵向通过半径等都有影响。 当轴距短时，上述各指标减小。此外，轴距还对轴荷分配有影响。轴距过短会 使上坡或制动时轴倚转移过大，车身纵向角振动增大，对平顺性不利。因而参 照汽车设计c f ，肘轴距的设计，同时考虑至0 轮式机器人的抗侧翻性，市场七一般 轮毂电机大小及可能的布置，车载蓄电池能的占位空间，调试过程中可能载人 等因素，初步确定轴距l 为9 0 0 r a m 。 ( 2 ) 轮距 前面已经确定轮式机器人的驱动形式为4 x 4 ，即四轮驱动的四轮移动机器 人。参考一般四轮车辆的车轮布置，轮式机器人的四轮为对称布置，前轮距等 于后轮距，前悬等于后悬。 前轮距且的取定应保证两前轮间有足够的转向空间，同时转向杆系与车架、 车轮之间有足够的运动间隙，后轮距b 的取定应考虑两纵梁之间的宽度、悬架 宽度和轮胎宽度及它们之州应留有必要的f f i j 隙。同时参考上述数据并根据市场 上一般轮毂电机大小，结合轴距，考虑抗侧翻性等因素初步确定： b l = b 2 = b = 8 0 0 m m ( 3 ) 前悬后悬 由于该轮式机器人相对于汽车设计的特殊性，不需要布置保险杠、散热器、 风扇、发动机等部件，故前后悬长只保证车轮的安装，根据市场上一般轮毂电 机大小，初步确定l 。= l r = 1 5 0 r a m 。 8 第2 章机械系统设计 ( 4 ) 车身总体尺寸 l 。= l + 乙+ l r = 9 0 0 + 1 5 0 + 1 5 0 = 1 2 0 0 m m 轮式机器人总长厶是轴距l 、前悬l r 和后悬l r 之和。 轮式机器人的宽度b 应保证能布置下车架、悬架、转向系和车轮等，取 1l o o m m 。 轮式机器人的高度h 要考虑轮高、底部禹地高，悬架高、车顶造型高度等。 初步取6 0 0 m m 。 2 1 2 2 质量参数 ( 1 ) 整车装备质量 整车整备质量是指车上带有全部装备( 包括随车工具等) ，但没有装货和载 人时的整车质量。 整车整备质量对车的成本和使用经济性均有影响。应尽可能减少整车整备 质量。如考虑成本的基础上采用强度足够的轻质材料，设计的车型结构简单等。 整车整备质量在设计阶段需估算确定。考虑到整车初步尺寸为 1 2 0 0 m i x1 l o o m m x 6 0 0 r a m ，车体用无缝钢管焊接，主要是前后轴、转向机构、电 机、车架等，结合经验初步确定为5 0 k g 。 ( 2 ) 轮式机器人装载量 该轮式机器人设计为是无人驾驶车辆，但考虑到调试过程中可能载人，所 以确定装载量为l o o k g 。 ( 3 ) 载荷分配 车辆的轴荷分配是指汽车在空载或满载静止状态下，各车轴对支承平面的 垂直载荷。 轴荷分配对轮胎寿命和车量的使用性能有影响。从轮胎磨损均匀和寿命相 近考虑，各个车轮的载荷应相差不大。 因此确定，轮式机器人的承载质量5 0 k g + l o o k g = 1 5 0 k g 。 2 1 2 3 性能参数 ( 1 ) 动力性参数 最高车速u m a x 9 第2 章机械系统设计 根据自行车的行走速度1 5 - - 2 0 k m h ，轮式机器人速度跟此速度大体相当，初 步确定最高车速为5 m s ，约合l s k m h 。 上坡能力 常用车辆满载时在良好路面上的最大坡度阻力系数。m “来表示汽车上坡能 力。道路坡度是以坡高j l ，与底长s 之比表示，即：f ：一h ：t a n 口；坡度也常用百分 s 数表示，即：k 皇1 0 0 。根据我国交通部颁布的公路路线设计规范，平原微 s 丘区i 级路面最大坡角为3 ，由于轮式机器人的行走环境假定为一般路面，故 设计轮式机器人在极限情况全速行驶时，能克服3 坡度。 ( 2 ) 稳定性参数 转向特性参数 为了保证车辆具有良好的稳定性，在汽车行业通常用汽车以0 4 9 的向心加 速度沿定圆转向时，前、后轮侧偏角之差( 五一瓦) 作为评价参数。此参数在l 。 3 。为宦。 车身侧倾角 在汽车行业，车辆以0 4 9 的向心加速度沿定圆等速行驶时，车身侧倾f f j 控 制在3 。以内较好，最大不允许超过7 。 2 1 3 底盘布置 底盘布置包括转向的布置和悬架的布置。 2 1 3 1 转向的布置 应用广泛的连杆转向机构主要有两种形式：梯形转向和平行四边形转向。 梯形转向的车辆转向时左右两轮的转向角度有一定的转向关系，平行四边形转 向的车辆转向时左右两轮保持相同的转向角度。 1 0 第2 章机械系统设计 。钆； o 一一一v l ? ： 阿一一 自 l ( a ) 梯形转向结构 图2 1 转向结构形式 m 抨行四边形转向机构 等腰梯形四连杆转向机构的优点是：可实现近似的纯滚动，滑动比较小； 缺点是结构复杂，分析计算较难。平行四边形转向机构的优点是：左右轮转角 相等，且转向幅度大；差速转向，轮毅电机驱动时，采用平行四边形机构容易 实现左右轮的转角和速度控制i 缺点是一定会存在滑动。 综合两种方式的优缺点我们采用内角较大的等腰梯形结构，减小了行驶 过程中的滑动，同时分析计算中简化为平行四边形结构。 转向结构三维图如下所示： 弋。7 7 4 黼心远 图2 2 转向结构三雄图 转向机构的实物图如下所示： j 一 一 第2 章机敞系统啦汁 图23 转向结构实物目 2 132 弹簧最架的布置 鼠架址垭代汽车k l ? ：j 乖璺总戚之，它把黠架( 或1 ：身) 与乍轴( 或轮) 弹 性地连接起来。其扛婪任务是传递作川f 车轮和乍架f 蜮乍身) 之的一切 和 山矩，升j 上缓和跚传给车架( 或乍身) f 由i l | l 山城倚，裒减此引起的承域系统 的振动，憬i 正汽车的打驶、剐吭性：保证年轮矗：路小平和载倚变化时有理想旧 返动特性，_ j 】 汽1 的操纵稳定。m 使汽午= 淡僻高速 亍驶能力。 汽车旧怂架 h 弹r e 儿f _ i 、导装笼、减振器、缓冲块和横m 稳定器譬组成 l 午旧缸架分为i i 刭- j ：息架和独立怂架，f h 州导m 饥构小l 叫汽乍孙：皓 架义分为：舣碘臂，单械* 纵臂式峙。 髓多式及滑托( 朴) 琏十| ( 羔 付) 式锋形式。下图所示是独立悬架中的艰横臂式悬架： 壶旁 图21 般横借式独立悬架 轮式机器人1 的弹簧悬家设 t 参考丁汽4 三的悬架，同i i f 叉执照简单宴用b 0 衄9 1 4 进 ，j 简化 轮式机器人怂架的1 要构什足弹豫减震器。腑恳架采川弹赞独立怂架，左 右对柏：分川j 丁两i m 轮刚近：后轮采i j ；q i 赞卅独节怂架，相性到鲫l 问。 笫2 争机械系统啦计 实物图如f 一j j j 沁 ! 斛矿 阿25 弹俺碱震器 a ) 前悬架( b ) 后恳粜 目26 弹簧减震器布置：维吲 旧27 掸簧微罐器布置寅物圈 写矬一守零 露熟 第2 章机械系统设计 2 2 车身结构与布置 2 2 1 车架结构设计 车架的主要功能是负载所有的机械和控制部件，在性能上要从强度和刚度 上满足车体运行和加速时的要求，常用钢结构件或者钢管焊接而成，其外壳为 钢板或铝合金板，车架空间安置与驱动和转向直接有关，并考虑到重量较大的 部件( 如蓄电池) 的安置问题，以利于机械结构设计和降低车体重心，重心越 低越有利于抗倾翻。 本轮式机器人的车驾采用空心钢管焊接而成，在保证强度和刚度的基础上 尽可能减轻了车身的重量，从而降低了重心，同时也减轻了电机的负担。 2 2 2 车身布置 图2 8 无缝钢管截面 蓄电池，电机控制器，单片机芯片等都放置在车架上，考虑到蓄电池的重 量，为了保持车身的平衡性，将蓄电池放置在车架底部的中心位置，其他部分 尽可能对称布置。如图所示： t 4 第2 章机械系统设计 图29 车身实物圈 23 本章小结 本章参照汽车理论，对轮式机器人的底盘结构，车身结构的结构形式和参 数进行了设计。并根据设计结果，措建了硬件实验平台 第3 章动力与控制系统设计 第三章动力与控制系统设计 轮式机器人的运动离不开动力与控制系统，本轮式机器人采用直接控制轮 毂电机的方法提供动力，免去了一系列动力传动部件。采用轮毂电机作为动力 源除了简化结构，易于控制之外还具有以下几大明显的优势： 1 动力控制可以由硬连接改为软连接形式。通过电子线控技术，实现各电 动轮从零到最大速度的无级变速和各电动车轮间的差速要求，同时省去 了离合器，传动轴等使轮式机器人的车体可利用空间增大，传动效率大 幅度提高； 2 各电动轮的驱动力直接独立可控，使其动力学控制更为灵活，方便；能 合理控制各电动轮的驱动力，从而提高恶劣路面条件下的行驶性能： 3 可实现线控四轮转向技术( 4 w s ) ，有效减小转向半径，甚至实现零转向 半径，即原地转向，大大增j j i l 了转向的灵活性； 4 容易实现各电动轮的电气制动，机电复合制动和制动能量反馈； 5 底架结构大为简化，使整车总布置和车身造型设计的自由度增加。 前三条也恰恰是本论文的核心内容所在：四轮驱动，差速转向，不同路面 情况下的四轮动力匹配。 3 1 轮毂电机的选择 3 1 1 电机类型选择 为了使轮式机器人有较好的运动性能，驱动的轮毂电机应该具有较宽的调 速范围，较高的转速，足够大的启动力矩以及体积小，重量轻，效率高，并具 有强动态制动和能量回馈等特性。 本轮式机器人参照电动汽车设计。电动汽车使用的电动机主要有以下几种： 异步电动机( i m ) ，永磁无刷电动机( p m b l m ) ，开关磁阻电动机( s r m ) 和横向 磁场电机( t f p m ) 等。 异步电机设计制造及控制技术相对成熟，结构简单，制造容易，低费用， 1 6 第3 章动力与控制系统设计 高可靠性，但同时也具有效率不高，控制复杂等明显的缺点。 永磁无刷电机功率密度高，效率高，体积小，结构简单，输出转矩大，可 控性好，可靠性高，噪声低，这一次系列优点使其作为电动汽车的电机来说十 分合适。其缺点是功率受限，目前最大电机功率只有几十千瓦，影响了汽车能 达到的最大速度；同时永磁转子的励磁无法调节，导致电机调速不易，调速范 围不宽。 开关磁阻电动机是近2 0 年才发展的一种新型调速电机，具有简单可靠，可 在较宽转速和转矩范围内高效运行，可四象限运行，响应速度快和成本较低等 优点。但其缺点也很多，转矩存在较大波动，振动大，噪声大；系统非线性， 建模困难，控制成本高，功率密度低等。 横向磁场电机与其他电机相比，优点十分突出：实现了电路和磁路解耦， 设计自由度大大提高；高转矩密度，是普通工业用异步电动机的5 1 0 倍，特别 适合应用于低速大转矩场合；绕组形式简单，利用率高；各相间相互独立，效 率高；控制电路和永磁无刷电动机相同，可控性好等。其缺点也很多：永磁体 数目多，结构较复杂，工艺要求高，电机成本高等。 下面是各电机的基本性能比较： 表3 1 各电机性能比较 项目异步永磁无刷开关磁阻横向磁场 一 功率密度 由 向中 最高 转矩转速特性好好好好 效率胼 7 9 8 59 0 9 27 8 8 69 l 曲3 功率因数慌8 2 8 59 m 母36 0 6 53 5 5 5 调速范围 l ：5l ：2 2 5l ：3l ：2 2 5 可靠性好一般优秀一般 电机重量重 轻一般轻 成本( 美元k w )8 1 2 l o 1 5 6 1 01 2 1 7 可控性 好 好 好好 一 控制成本局一般很高一般 综合性能 差最好 中好 根据设计要求，综合比较各电机的基本性能，可以得出，目前永磁无刷电 机是电动汽车驱动电机的首选。因此，本轮式机器人也采用永磁无刷电机。 3 1 2 电机型号选择 1 7 第3 章动力与控制系统设计 经计算，总重i s o k g 的轮式机器人在最高坡度为1 0 的路面上行驶，需要 的功率大约为1 8 0 w 。为适应车身，并选择尽量小的轮毂电机，初步确定电机直 径不大干2 0 0 m 。为了使车上电控系统可以采用相同的电源，即车体驱动电源要 与车上控制系纨( 如超声防撞等) 协调。为此电源取4 8 9 。 根据以上要求，选取轮毂电机，晟终确定为苏州八方电机有限公司生产无 刷轮毂电机如图3 1 所示。控制器为厂家配套的型号为k t 4 8 z w p 的无刷轮毂电 机控制器如图3 2 。 型号：0 2 4 $ w x o l ( 直径庐2 6 0 m 卅) 电压；4 8 v ；功率2 5 0 w ；转速3 0 0 r m i n 。 开档尺寸1 1 4 哪。 引出线长度1 0 0 0 m m 出轴直径：m 1 2 32 控制驱动系统组成 图32 无刷轮毂电机控制器k t 4 8 z w p 直流无刷轮毂电机控制系统由三个组成部分：电机本体。控制电路( 包括 控制甚片和其外围，滤波电路) ，驱动模块( 即电机控制器) 。系统框图如下图 所习_ ； 图33 无刷直流轮彀电机系统组成框图 机 电毂轮型 0- ， 图 第3 章动力与控制系统设计 3 2 1 轮毂电机工作原理 无刷直流轮毂电机由电机本体、转子位置检测电路以及电子开关电路3 部 分组成。其示意图如图3 4 所示。 图3 4 无刷直流轮毂电机组成示意图 直流无刷轮毂电机是同步电机的一种，即电机转子的转速受电机定子旋转 磁场的速度及转子极数p 影响：n = 1 2 0 p ，其中n 为转子转速，f 为电源频 率。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。 直流无刷电机即是在同步电机加上电子式控制，控制定子旋转磁场的频率并将 电机转子的转速反馈至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。 也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转 子维持一定的转速。 电子开关电路主要作用是控制电机本体定子各相绕组的通电顺序和时间， 主要由功率管、驱动电路、转子位置信号处理模块构成。 转子位置检测电路主要作用是实时检测转子位置，为换相提供依据，本轮 式机器人的转子位置是由霍尔信号提供。电机本体由定子线圈绕组与永磁转子 构成。 电源部可以直接以直流电输入或以交流电输入，如果输入是交流电就得先 经转换器转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将 直流电压由换流器转成三相电压来驱动电机。换流器一般由6 个功率晶体管， 分为上臂( h a 、h b 、h c ) 下臂( l a 、l b 、l c ) 连接电机作为控制流经电机线圈 的开关( 连接见图3 5 ) 。 控制中心提供p w m ( 脉冲宽度调制) 决定功率晶体管( m o s f e t ) 开关频度及 换流器换相的时机。直流无刷电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器，作为速 度反馈的闭回路控制，同时也作为相序控制的依据，从而达到当负载变动时速 度可以稳定于设定值而不会变动太大。但这只能用来作为速度控制并不能拿来 作为定位控制。 1 9 第3 章动力与控制系统设计 a c d c 转换器 d c a c 换流墨 电机 图3 5 无刷直流电机电路连接示意图 无刷直流电机电路连接简图和无刷直流电机的如图3 5 所示。 3 2 2 控制电路 本机器人的控制方式主要有三种：超声避障自动导航方式，s m s 模块超远程 遥控方式以及现场人工控制方式。第一种方式是事先写好运动策略，根据超声 反馈结果判断行走路线，第二种方式是在不同状态下收到运动控制指令，第三 种方式是现场人工输入机器人速度和方向。这些都就需要机器人的控制芯片对 目前的运动状态和控制指令进行分析计算，从而得出输出给四个电机的速度或 转矩指令。 图3 6 单片机x c l “c s 本机器人的控制核心为英飞凌1 6 位单片机x c l 6 4 c s ，如图3 6 所示。这种 芯片的优点很多。运算速度快，能达到4 0 m h z 的c p u 频率；存储器容量大；2 k b 2 0 第3 章动力与控制系统设计 双口r a m 用于变量，寄存器池和系统堆栈；附加的2 k b 高速数据s r a m 用于变量和 用户堆栈；2 k b 高速s r a m 用于代码和数据；1 2 8 k 的f l a s h 支持在线编程：中断源 多：接收7 0 种中断，分为1 6 个中断优先级( i l v l ) ，每个中断优先级中分为4 个组优先级( g l v l ) ，数字越高，优先级越高等。 不仅如此，下面的两大优点使x c l 6 4 c s 成为本机器人的最佳控制芯片之一： 1 具有在片调试接口o c d s ，o c d s 接口标准测试协议( 与i e e e l l 4 9 1 兼容) ， 主要用于芯片内部测试。这使芯片的硬件调试脱离了控制对象轮毂 电机，大大提高了开发效率。 2 集成了c a p c o m 6 模块，可为交流及直流电机控制生成p 1 】i m ，支持d s p ， 具有内置高级m a c 单元以提供信号调节及计算功能。因而该芯片可以由 代表速度的电压信号经c a p c o m 6 模块产生pwm 波控制轮毂电机运动。 从上面这些特点可以看出，该单片机具有强大的计算功能和多路p 1 i l m 输出， 可以根据不同的速度方向指令和目前的运动状态，按照某种规则( p i d 或模糊算 法等) ，经计算，输出四路不同p w m 信号，对四个电机下达电机指令，协调各个 轮毂电机的速度和动力匹配。 x c l 6 4 c s 单片机发出的p w m 波并不是直接接到轮毂电机控制器上，还要经滤 波电路，以电压形式输送到轮毂电机控制器。不同电压对应不同的转速。 3 2 3 驱动系统组成 驱动系统指的是与无刷直流轮毂电机相配套的无刷直流电机控制器。控制 器的主要作用有将控制电机转速的电压信号转化成三相交流电压信号，并按照 电机霍尔信号的反馈情况改变换流器的各管的通断，使电机正常工作。现在的 无刷电机控制器还具有限速，过流保护等功能。 该轮式机器人四个轮毂电机的无刷控制器k t 4 8 z w p 实物图见图3 2 。 3 3 电机p