（电机与电器专业论文）无轨自动伸缩门的研制.pdf

a b s t r a c t t h ea u t o m a t i cf l e x i b l ed o o ri sak i n do fh i g h t e c hm a c h i n ee l e c t r i c i t yp r o d u c t ，i t c a r r yo u tt h ea u t o m a t i cd o o ro fam e c h a n i c a ls y s t e mw i t ht h ee l e c t r i c a lm a c h i n et o c o n t r o ld o o r t h i st e x ti st os t u d i e sak i n do fr a i l l e s sa u t o m a t i ce x t e n s i o nd o o r i m p r o v i n gt h eg u i d a n c es y s t e m i n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n s i s to ft h ea u t o m a t i cf l e x i b l e d o o lt h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h t h em e t h o da n dt h e m a i ni n v e s t i g a t i v ec o n t e n t s s e c o n d ，w es u m m a r i z et h ee v a l u a t i o ns t a n d a r da n da p p l i c a t i o no fd i f f e r e n t g u i d a n c et e c h n i q u e s a n do nt h ef o u n d a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i s mg u i d a n c et e c h n o l o g y ， w ed e s i g nag u i d a n c es y s t e mo fs m a l lv e h i c l e a n dw eu s et h em a g n e t i ci r o n st om a k e t h eg u i d a n c es i g n a , a n de s t a b l i s h e dm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t et h em a t h e m a t i c s m o d e l ， a n dg e tt h es i z eo f t h em a g n e t i ci r o n s t h e nw ei n t r o d u c et h es t r u c t u r eo fs m a l lv e h i c l e ，e s t a b l i s h i n gt h ek i n e m a t i c s m o d e lo ft h es m a l lm o b i l ev e h i c l ea n dt h ee l e c t r i cm o t o rm o d e l i nt h ep a p e r , w e i n t r o d u c ed e t a i l e d l yh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i ts y s t e m , i n c l u d i n gt h em c u s y s t e mo f t h ea u t o m a t i cf l e x i b l ed o o r ，s e n s o rs y s t e me t c ，a n dt h ed e s i g no fs o f t w a r ep r o c e d u r e i n c l u d i n gp i dc o n t r o l l i n ga l g o r i t h m ，e l e c t r i cm o t o rp w mc o n t r o l l i n ge t c ，f i n a l l y , w e a n a l y z et h ec o n t r o ls y s t e mo fs m a l lm o b i l ev e h i c l ea n dt h ek i n e m a t i c sm o d e lw i t ht h e m a t l a bs i m u l i n kt 0 0 1 w r i t t e nb y ：h u a n gh u i ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y ：p r o f w a n gq i n g n i a n k e y w o r d s ：t r a c kc o n t r o lm c uv e h i c l ew i t hw h e e l ss i m u l a t i o n 第i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌史学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 。 学位论文作者签名：多，芝季 签字日期：& 丁年月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 壹量盔堂 有关保留、使用学位论文的规定。 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌土学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：多狮 签字日期：硝年月| je l 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 无轨自动伸缩门的研制 第一章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 自动伸缩门是一种高科技机电一体化产品，它是利用执行电机来带动自动 门机械系统实现开门和关门。它不但开关门快速、平稳、无冲击且能可靠运行， 而且具有外形美观、启动力矩大、运行平稳，纠偏功能强和安装维修方便等显 著特点，是现代门控设备系列中最先进的驱动装置之一。 随着我国城市的发展和人们的审美观念的提高，由于自动伸缩门的造型美 观，操作灵活，价格适中等优点，逐步被人们认可，在宾馆、企业等单位大门 得到广泛的使用，目前正向车库、高级别墅等场所推广。随着应用的不断推广， 人们对自动门性能的要求也越来越高。除了定位定时、远距离遥控显示时间、 防碰装置、防爬系统等功能外，还要求体积小、成本低、噪音小、安装方便。 但目前市场上销售的电动伸缩门，绝大多数为有轨产品。它们的轨道多为 金属制品，并要固定在地面上，且要不定期的清理和维护轨道。因为一旦轨道 被外力弄变形就会使电动门发出很大的噪音或无法行进，这就形成为一个噪音 的污染源，这在环保时代是不允许的。因此就必须更换导轨，这就造成不必要 的浪费。且这种有轨的自动伸缩电动门在安装过程中，不仅造成材料浪费，增 加了施工麻烦，也给过往车辆、行人设置了障碍。 本课题的目的及意义就是要解决以上有轨电动门出现的问题，保留有轨电 动门的所有的优点；抛弃轨道，实现无轨化，使其能沿着事先设计的路径( 直 线) 行进，并无偏差的到达终点。 1 2 国内外研究概况 现在国外企业生产的自动伸缩门不仅外观美丽，而且其运动规划和导向技 术全是采用了一些先进算法和技术。运动规划是自动伸缩门一个重要的研究内 容，它的目标是在一个存在障碍物的环境中，为自动门寻找条无碰撞路径。 运动规划常采用神经网络技术、模糊技术、进化计算，因此耗时很多，所以国 第】页 无轨自动伸缩门的研制 外的控制芯片很多是采用了d s p 处理器，加快其处理速度。而国外的自动门导 向技术现在大多数采用轮式移动机器人平台的导向技术，如激光引导，红外线 引导等，并且具备了移动机器人一些智能化的控制功能。它已经变成一个高智 能、多系统的复杂系统工程，且有向信息密集、多层次的信息与知识表示方式、 与环境的交互丰富多样、信息与知识分布存储等特点的移动机器人的智能系统 发展的趋势。 另外国外的全智能无轨伸缩门以环保为核心，它取消常规自动伸缩门导轨 式，因此完全消除了导轨和导轮之间产生磨擦产生的嗓音。且自动伸缩门的行 走轮多采用s u v 越野车车轮形状，工程耐磨橡胶，抓地性强，风雨后的泥沙 堆积物丝毫不影响伸缩门的正常运行。国外的全智能无轨伸缩门它们一般采用 微型计算机控制，并装入先进导航系统。这种导航系统犹如人的眼睛，可在无 任何轨道的情况下，均能按预定路线行使，并且不受电动门门体长度的限制， 终点偏移不大予+ 2 c m 。在行使过程中，如受外力影响而使机头完全偏离预定 路线时，微电脑会自动发出指令，使无轨电动伸缩门后退到预设轨迹范围，再 继续行驶。它会自动纠错并保证电动门按预定路线行驶。 另外还配置了全自动抗风装置，保证无轨门在打开或关闭状态下能与路面 紧紧的接触而不被风吹倒；如果无轨门在行驶过程中遇台风，则内置台风检测 装置会自动检测并送信号到控制电路而使门体关闭，从而达到抗风作用。配置 专业广告显示屏，在无轨电动伸缩门停止运动时显示时间。控制系统配有电子 软启动缓冲电器，使电机适应频繁正反转，保证门体起步平稳不摇晃，从而大 大延长电机的使用寿命。 国内虽然有些厂家已生产出这种无轨电动门，但是由于它们都没有很好的 解决电动门门体在行进中偏离轨迹的现象。就只得在地面上增设一条导正轨， 但就失去了“无轨”之意义，且同样不能完全解决上述问题，因此不能满足人 们日益增长对舒适、美观等方面的要求。 因此本课题是有很好的市场应用前景，一旦试制成功就会很快的转化为经 济效益。 第2 页 无轨自动仲缩门的研制 1 3 研究的方法及内容 1 3 1 自动门基本组成 现在市场上有很多种类的自动伸缩门，但总体上可以分为有轨自动伸缩 门还是无轨自动伸缩门，但是不管如何，它们的基本组成是相似。都包括以下 几个部分： 1 ) 驱动系统 包括电机及调速方式，方向轮和驱动轮的选择。现在常见调速为p w m 软件调速方式。 2 ) 传感器系统 包括传感器的选择以及相应的电路的设计。自动门上用的最多的是红 外线传感器和超声波传感器。 3 ) 控制系统 包括控制器的选择和相应的控制方法。现在市场上的产品大多数用的 控制器多为8 位m c s - - 5 1 单片机，它执行速度快，有良好的性价比。 4 1 移动机构结构 主要是小车的机械结构。另外伸缩铝合金门体的机械结构不是本论文 讨论内范围。 5 1 电源系统 主要是电机的供电和控制系统的电源。采用2 2 0 v 、5 0 h z 交流电源为 日常的动力源，另# l - d , 车采用直流工业蓄电池为备用动力源，蓄电池 供电应达到额定的安培小时值，一般应保证在8 小时以上工作需要。 应该对蓄电池进行定期充电，以延长蓄电池的寿命，并保证可靠工作。 1 3 2 研究对象 本课题的研究对象为自动伸缩门。而一般的自动伸缩门机械主要伸缩门 开门机、铝合金伸缩门、体门体固定杆、导正轨和行走轮等组成，如下图1 所示。铝合金伸缩门体由大框架、小框架、长叉连接杆、短叉连接杆组成。 第3 页 无轨自动伸缩门的研制 这些机械机构不是本文的主要研究的对象。 开门机( 机头) 是自动伸缩门的主要工作部件。它装有控制系统和驱 动系统等单元。因此开门机是我们研究的主要对象。 震杼 图1 - 1 自动伸缩门的外观 为了研究的方便，将伸缩门的机头抽象为一个移动平台。这个移动平台 多为四轮结构的小车，车体采用铝合金结构。因为四轮结构的稳定性好，承 载能力较大，所以本课题的移动平台采用四轮结构。小车的结构如下图2 所示，它的前二轮为( 1 ，2 ) 方向轮，能自由的转动，能使小车向不同的方 向转向而不会对移动平台产生阻力和约束作用，且它不产生驱动力矩，起支 撑作用。小车的后二轮( 3 ，4 ) 为驱动轮，分别由两套电动机带动，产生驱 动力矩，驱动小车前进。 图1 - 2 四轮小车示意图 第4 页 无轨自动伸缩门的研制 这样一来，只要分别控制两个驱动轮的不同速度或者力矩，就可以让小车按 照所需要的方向和速度前进，从而实现运动规划，稳定以及轨迹跟踪等控制 任务。 1 3 3 实现方法 本课题要实现的无轨自动伸缩门主要功能有：纠偏功能。即门体在运行 过程中偏离轨道时，开门机立即进行调整保证按照磁引导的路线行驶；遇阻 返回功能。当门体关闭过程中探测到前面有障碍物时，门体自动停止关闭并 返回；远距离遥控功能等。 为了实现上文的功能，本文采用了如下方法： 1 ) 利用小车二个驱动轮的转速差来实现小车的转向使其能回到 正确地路径上来。 控制小车转向的方法有二种，一种为铰轴式转向，另种为转 速差式转向，虽然铰轴式转向控制简单，但精度不是太高。转 速差式转向控制复杂，但精度较高。因为本课题要求轨迹的控 制的精度较高，所以采用转速差式转向。即在左右驱动轮上分 别装上二个独立的直流电机，通过单片机来控制二个电机的转 速，从而来调节左右驱动轮的速度比来现车体的转向。 在行进过程中，为了保证小车的运动轨迹尽可能地精确，将采 用p w m 调速方式对直流电机两驱动轮进行单独的闭环速度 控制。为了实现这种闭环控制，分别在两直流电机轴上各安装 了一个速度传感器，实时反馈两驱动轮的速度和位置信息给单 片机，以便单片机实时调整驱主动轮速度。 2 ) 利用接受的导引信号的强弱来判断是否偏离了轨迹。 无轨伸缩门开门机由两台电机联合运行，由于路面高低不平， 运行一段时间后，将会偏离轨道，为使开门机按照规定的路线 行驶，在运行轨道上均埋入磁铁，并由两个纠偏传感器感应偏 离轨道信号并传送控制器中心，单片机进行数据处理，同时发 出纠正指令，从而保证开门机按照磁引导的方向前进。 第5 页 无轨自动伸缩门的研制 4 ) 小车开门和关门到位停机。 可以在小车的前面和后面各安装一个行程开关，开门或关门到 位后，将产生一个信号，送给单片机。 5 )自动避障功能的实现 将通过装在小车上的传感器来实现。当有物体在附近一定范围 内移动，小车将停止运行或退回关门原始处。 6 1遥控功能。 将密码遥控接收电路安装在门体上。它采用红外线遥控技术和 编译技术。密码组数超过一百万种。具有很高的安全性。它在 国外得到广泛的应用。 1 3 4 研究的内容 本文以四轮小车为主要研究对象，主要是对导引系统和其控制系统中的 一些问题进行研究及仿真分析，主要工作内容为： 1 ) 轨迹规划和控制研究 对自动门中的移动机构小车在发生偏差后，小车调回正确轨迹时 方向轮转向的角度与驱动轮转差速之间数学关系进行了分析和 研究。最后对它进行了拟合和仿真。 2 ) 控制系统数学模型的建立 建立了直流电机的数学模型，推倒出它的传递函数。并用p w m 调制方式实现直流电机频繁的启动，制动和调速。 3 1 传感器系统的设计 传感器系统主要包括安装在移动机构小车中心的磁场传感器和 小车边缘的红外线传感器。还有就是小车导引信号的选择及它的 强度与距离之间的函数关系的建立。 4 ) 仿真及调试 这部分主要是元器件的选择最后形成电路板的抗干扰的措施、 软件的编程和调试、以及单片机系统和各个传感器的应用之间 的调试和仿真。 第6 页 无轨自动伸缩门的研制 第二章引导系统 2 1 引导系统综述 2 1 1 引导系统简介 随着微电子技术、自动控制技术、计算机技术、激光技术、红外技术和 新材料技术等高技术发展，使引导技术得到较快的发展。引导这一术语产生 于7 0 年代中期，引导技术在战后军事领域的广泛应用。主要是精确制导武 器。它的制导方法是通过自动化控制系统和侦察器材实现的。其基本原理是 利用目标的各种物理现象，捕捉可提供目标的位置信息和特征，使用探测器 和敏感器捕获这些目标信息和特征，将目标与周围背景区分开，从而达到发 现和识别日标，并对目标进行精确定位。 而本课题要求的引导系统是使移动机构沿着预定的路径运行，并在产生 偏差的时候探测到这个量并传输给控制系统处理。根据移动机构运动路线的 性质，引导系统可以分为三类f 1 6 】： 1 ) 固定路径系统 这类系统中移动机构的运行路线是以某种 具体形式规定的。它包括机械引导、电磁感应式、光化学导向 式等。 2 ) 自由路径系统 这种系统中并没有任何具体形式的运行轨 道，移动机构沿着虚拟的线路运行。惯性、信标、位姿计算、 计算机视觉导向等都属于这一类。 3 ) 组合路径系统移动机构在多数工作区间沿着某种具体形 式的固定路线行驶，而在某些区域沿着虚拟路线行进。 2 1 2 导向技术 引导系统是无轨自动伸缩门的一个重要部分。其基本的技术要求就是可 靠引导自动伸缩门沿着从a 地点到b 地点的直线移动，避开可能的障碍物。 第7 页 无轨自动伸缩门的研制 因此无轨自动伸缩门的引导系统是属于固定路径系统。采用固定路径的引导 系统通常有七种导向技术。这些导向技术各有所长，适用的范围有所不同， 下面就对这些导向技术的各个性能进行比较【1 5 j ： 1 ) 用机械导轨直接导引：如地链、导轨等，这是早期电动门 常用的方法，它技术简单。 2 ) 电磁感应：是一种成熟的导向技术，它的工作原理即：沿 着预定的运行路线铺设导线，并在导线中通过低频率的正弦波 信号从而产生交变的磁场，在移动机构安装感应线圈，感应运 行中的移动机构与导线偏差来修正导向电机，使其沿着导线行 驶。 3 ) 光学引导：此种导向技术与电磁感应的原理大致相同，所不 同的是地面上设置的信号源和它的检测传感器为光电效应传 感器。 4 ) 位姿计算：导向系统通过安装在车轮上的光电编码器组成的 差动计程器，在每一小段时间里，车转过的距离推算移动机构 与已知点的位置关系。但是其缺点很明显：就是移动机构的位 姿误差将随着运行距离的增大而增大，必须有校准措施才能完 成任务。 5 ) 信标导向：即在工作环境内的若干确定的位置处设置信标， 移动机构通过安装在它上面的测量装置测知移动机构与各个信 标的关系。这种的定位误差只不过与移动机构及信标位置有关， 而与行驶距离无关。 6 ) 惯性导航：它同位姿计算，用陀罗仪测量运行的加速度，通 过积分可以算出移动机构的位置。同样的它的误差将随着运行 的距离的增大而增大，必须要有校准措施才能完成任务。 7 ) 计算机视觉：通过c c d 图象的采集，并与环境地图数据比 较，确定目前的位置。此方法目前正在研究中，是高级移动机 器人、智能机器人的研究发展规律的技术之一。 第8 页 无轨自动伸缩门的研制 2 1 3 性能指标 由于这几种导引技术各有特点，没有哪一种导向技术在各个性能指标上 都占有优势，因此实际应用中应该根据具体的应用环境选取特定的导引方 式，或者综合使用两种或两种以上的导向技术，取长补短，以达到较好的综 合效果。它的评价性能指标有： 1 ) 运行范围：虽然技术原理上，各个导向技术都不限制移动机构 的运行范围。但是多数导向技术的效能会随路线的增加而下降。 所以评判导向技术的最大运行距离。 2 ) 精度：预设线路的误差以及路线导向的传感器的固有误差为评 判标准。 3 ) 灵活性：指移动机构路线变更的难易程度。 4 ) 可控性：指导向系统对移动机构的启，动，弯道运行、岔道选 择实现的难易程度。 5 ) 可靠性：指采用次导向技术的系统发生失灵的可能性和导向机 构本身阻碍系统发挥正常功能的可能性。 6 1 系统成本：包括移动机构费用和地面费用两部分。这主要有导 向系统的复杂性与其维护性决定的。 下表2 - 1 评价了上述导向技术方法的优缺点。 表2 1 导向技术性能指标综合评价 特点机械式电磁感应光学引导位姿计算信标导向惯性导航视觉 运行范围 0 精度 灵活性o 可靠性 可控性 oo 机构费用 o0 地面费用 符号说明：一优：一良；口一中等：一一般：o 一著 第9 页 无轨自动伸缩门的研制 2 2 无轨系统的设计 2 2 1 设计方案 在引导方式中，电磁感应方式有着广泛的应用。它有可以分为激励电缆 方式和磁性材料导引方式。本文提出了一种改进的磁性材料引导方式，可使 小车沿着金属带发出的磁性引导信号运行，它具有简单可靠，铺设改动容易。 适应性强及造价低廉等优点。 这个引导系统的原理：在预定运行的路径的地面底下铺设一条金属磁性 导引带，利用安装在移动机构上的传感器接受磁性材料的磁场的强弱来判断 是否偏离了轨迹。若有误差这时候移动机构是偏离了预定路线的。若没有误 差这时候移动机构是恰好在预定的路线上的。埋在地面下的磁性材料我们采 用的是永久磁铁。 现在我们详细描述一下这个引导系统的设计。我们先看单个磁铁的磁 场。它的磁场分布如下图2 1 所示( 俯视图) ： 磁极 图2 - 1 单个磁铁磁场分布 可以看出的它的磁场分布是对称的，所以过磁极的直径以同心圆上的交 点上的磁场强度是相等的( 例如图中a 点和b 点) 。且离磁极越近磁场强度 越强。 由于我们的无轨自动伸缩门要求的运动轨迹是直线的。所以我们把很多 个永久磁铁排列在自动伸缩门的预定轨迹上成一条直线时，由于我们所用的 永久磁铁是具有同样的形状、同样的材料，都是圆柱形，且相互之间的距离 相等，所以各个磁体之间的相互之间的影响是对称的。因此以磁导线相垂直 且离磁导线等距离的二点处的磁场强度是相等的。如下图2 2 的p 线和n 第1 0 页 无轨自动伸缩门的研制 线上的磁场强度是相等的。越靠近磁导线磁场强度越强。 磁铁 纠偏传感器 二二二1 一 图2 - 2 永久磁体的分布 因此可以通过在机头的对称的位置上配置一对纠偏传感器，来测量出其 所在位置的磁场强度。为了使测量的数据准确，此对纠偏传感器位置离磁铁 的距离不应超过5 c m 。当机头所处的位置关于磁导线是对称的时候，传感器 获得的数值是一样的。若不是对称的位置，则它们得到的磁场强度是有差值 的。当设定一个传感器获得值为参考值，则根据二个磁场强度的差值就可以 判断机头的是否偏离轨道，是相那个方向偏离轨道。例如假设上圈中传感器 l 获得的值为参考值，当传感器2 获得的值与它相减时，若为零则机头没有 偏离轨道；若为正数则向下偏离轨道；若为负数则向上偏离轨道。 2 2 2 永久磁体的选择 1 ) 磁钢数学模型与磁场强度计算 我们在自动伸缩门的移动机构的路径规划中所用的地址磁钢为圆柱形 磁钢，其磁场强度在空间的分布将直接影响引导系统的作用效果。为此我们 将根据物理学基本原理，对圆柱形的磁钢建立数学模型如图2 3 所示。在直 角坐标系中，对圆柱磁源极面中心线上的磁场强度进行了分析，得出了相关 的计算公式。从而可以计算出磁体的具体尺寸，并为传感器的选用和设计提 供了一个特定的依据。 建立如图2 3 所示的直角坐标系图中，口为圆柱形磁体半径，为圆柱 形磁体厚度。设圆柱侧面的轴向单位面积上的极化电流为，。，并在距磁体轴 第1 1 页 无轨自动伸缩门的研制 线为，的圆柱侧面上选取一个平行于极面的微电流环胡，它的轴向厚度为 出。，其径向厚度为咖。于是微电流环内的极化电流：= 厶咖出。，设它 的相对磁导率为以，则这个微电流环上的任一电流段元为矗d l 。 矾= a d o h 、 熙 心 毫曲一 趸 i ； 弛州i ：i ， 图2 3圆柱形磁钢的磁场强度计算示意图 根据毕奥一萨伐尔定律可得： 据：丝i s i n _ _ _ o 目o i l 4 万r 在圆柱轴线上点p ( x ，0 ，o ) 的磁场强度船为 船= 百- tr 2 0 半 龆1 ) 4 万胄2 式中2 。为真空磁导率，t ，为相对磁导率，r 为电流段元到p 点的距离，d i 为微电流环沿着磁体圆周方向的长度，由图2 3 可以知道d l = r d o ，将其代 入式( 2 - 1 ) 则有： 如：掣立竽 式( 2 - 2 ) 4 疗r 。 。 第1 2 页 无轨自动伸缩门的研制 x 轴与船的夹角为口，根据几何关系有： c o s a = r r 月2 一r 2 s z h “2 一 月 则在x ，y 轴的投影d r ；，船i 为 d b ，2 d b c o s 口船。2 d b s i n 因此得到：毯= i d b c o s 口b ：= i d b j i n 口 由于微圆环的对称性，在y 轴上的投影的代数和为零，即b ：= 0 。因此，微 圆环在p 点的磁场强度d b 为： d b = 琏= f d b + c o s a 2 z = 业立p 2 c o s c t i 4 r e r d 口 2 4 ：丝丝：生：! ：生：空! 二2 万 u t u l l4 ，一 2 r 3 毋t 出o r n n r ：k 一) 2 + rz f ，则一个轴向长度为， 磁体在p 点的磁场强度d b 为： 班f 裁并协。 设粕- x = r t g ( f l , 则p ：培一1 r 鱼二兰1 有： l r 氐：型 o u j 叫 吼：喀( - l - x ) 仍= 喀一- x 第1 3 页 距离轴线r 为处的圆柱形 式( 2 + 3 ) 无孰自动伸缩门的研制 将出。代入式( 2 3 ) ，整理后得到： d b ：丝学rc o s 叫妒：丝学( s i w 仍一j 嘲) 7如， + ? 式( 2 - 4 ) 为了把s i n q ，1 和s i n 妒1 转换成以x 为变量的函数，我们可以做两个辅助直角三 角形如图2 - 4 所示： 一z 一并 图2 - 4 仍、仍与x 的关系 由图2 - 4 得到： 一d + 石1 一x 肌”妒1 2 i 薷+ r 2 5 7 ”p 2 2 丽+ x ) 2fb 2 + ，2 户 代入式( 2 4 ) 整理后可得到： 加学l 赫q + x 一南卜 鼬， 2 1) 2 0 2 声j “。 将式子( 2 5 ) 进行积分就可以得到整个磁体在中心线上距极面x 处的p 点的磁 场强度b ： b = 尚一南 - 咖如+ x ) 2 pb 2 + ，2 声j 赫卜叫 = 学卜- 胁 萼霉卜 平 靳， 第1 4 页 南学叫 晔 掣 i 塑塾生塑塑塑旦型 式( 2 6 ) 即为圆柱磁源极面中心线上磁场强度的计算公式。 2 ) 根据理论结果确定伸缩门的磁钢 我们在本课题的自动伸缩门中所用的磁钢为稀土磁钢，查阅有关的资料 可以查得稀土磁体单位面积上的极化电流厶约为5 0 0 0 a m ，左右，相对磁 导率约为5 1 0 4 。所购买的磁钢为直径为2 2 t u r n 长度为1 0 m m 。把这些常数 代入计算公式( 2 6 ) ，根据该公式就可以得到轴线上磁场强度与磁体长度l 的 关系；根据公式还可以得到磁场强度沿轴线的分布情况，这个结果对于纠偏 传感器在移动机构上的安装高度具有指导意义。 图2 - 5 是直径为2 2 r a m ，长度为1 0 r a m ，相对磁导率5 1 0 t 为的稀土磁钢 在轴线方向的磁场强度分布图。在图中磁场强度的单位g a u s s ，磁场强度的 标准单位是特斯拉，】t _ 1 0 0 0 0 g s 。 0 i o o 啪 i 0 0 煳 ； 、 、 ! 、 0 0 。、 1 0 2 03 0 p 点等摄平面的砸葛一) 蚓2 - 5 感场强度与距离关系的理论曲线 从图2 - 5 可以看出磁场强度随距离的增大呈指数下降趋势。直径 2 2 m m 、长度1 0 m m 的稀土磁钢在表面附近的磁场强度为3 0 0 0 g s 左右：在 距离极表面1 0 m m 的地方其磁场强度下降为3 0 0 g s 左右；到3 0 r a m 的地方 其磁场强度只有几十o s 了；由此关系曲线可以推断出传感器要能够探测到 该磁钢，并且保证能够不遗漏地探测到该磁钢，传感器的探测面与磁钢极平 面的距离必须在特定的范围之内。 第1 5 页 无轨自动伸缩门韵研制 根据移动机构的车身结构和路面的平整情况，当传感器敏感面与磁钢 极平面间的距离为3 0 m m 左右时，能保证传感器不会被路面撞坏。系统要 保证在该距离的情况下还要可靠探测到该磁钢，必须通过增加磁钢长度的方 法来髂决。根据公式( 2 6 ) n 以得到磁场强度与磁钢长度的关系，图2 - 6 为距 磁极面3 0 r a m 轴线处的磁场强度与磁钢长度的关系曲线。 图2 - 6 感场强度与磁钢长度关系的理论曲线 从图2 - 6 可以看出，随着磁钢长度的增加磁场强度也不断增加，但磁场 强度的增加越来越缓慢。磁钢长度为5 0 m m 左右处是转折点，在此处之前磁 场强度随磁钢的长度的增加几乎成线性增长，在此之后磁场强度增加缓慢。 根据这条理论曲线在设计地址磁钢时，可以选择几块直径为2 2 r r a n 长度为 l o m m 的稀土磁钢叠加放在一起作为一个磁钢探测点。如果磁钢的长度太短， 磁场信号太弱，传感器不能可到探测到该磁钢信号。如果磁钢的长度太长就 会造成浪费。根据这条理论曲线，有考虑到成本，经过实践计算，我们采用 五块直径为2 2 r a m 长度为l o m m 稀土磁钢叠加作为一个磁钢探测点，传感 器能够可靠的检测到此磁钢信号。 2 2 3 引导系统的安装建议 选定好稀土材料的磁铁的尺寸大小后，根据理论计算，建议如下安装； 导系统。下图就是引导系统的安装施工图。 第1 6 页 冀：。 无孰自动伸缩门的研制 图2 7 安装施工示意图 安装中应注意的问题有下面几个： 1 ) 安装机器人伸缩门应该先准备一台冲击钻及其2 5 m m 、l o m m 的钻头， 用来钻打地面上安装磁铁的圆孔。 2 ) 准备安装时，先在安放伸缩门的地方设定一条线。即自动伸缩门行驶 时的中心线。 3 ) 所有磁铁的定位应先用l o m m 钻头定位。以便提高尺寸的精度，然后再 用2 5 m m 的钻头扩孔。 4 ) 磁铁定位孔都打钻好以后，先清理孔内杂物，再给孔里灌水泥浆，然后 将磁铁放入孔中，将其定位好，再将磁铁表面用水泥抹平即可。 5 ) 磁铁埋入的深度入下图所示。 图2 7 磁铁埋入深浅示意图 6 ) 磁铁极性的埋设应该绝对保证磁铁的极性方向一致。如下图所示。示意 图中均为假设磁铁的n 、s 极，以说明磁铁埋入的同极性，如果叠在一起 的磁铁向上的为n 极，则向下的均为s 极，那么磁铁埋在地下时，如果 第1 7 页 无轨自动伸缩门的研制 是假设的n 极朝向路面，则所有的n 极均应朝向路面，以保证磁铁朝路 面的一面的极性一致( 磁铁的同极性面可以根据“同极相斥，异极相吸” 来判断) 。 图2 - 8 磁铁埋设截面图 第1 8 页 无轨自动伸缩门的研制 第三章小车系统模型 3 1 小车的结构 3 1 1 方案选择 移动机构小车由车架和蓄电池、电机、减速部分、车轮等所组成，它是整 个自动伸缩门的基础部分。我们知道移动机构运动方式有轮式、履带式和步行 方式。轮式和履带式适于条件较好的路面，而步行方式则适于条件较差的路面。 为了适应各种路面的情况，可采用轮、腿、履带并用。本课题中的设计思想是 作为在路面环境较好的场合中工作使用，所以采用轮式结构。其机械结构如下 图所示： 图3 1 轮式移动小车 轮式移动机构一般有三轮、四轮或六轮，其转向装置的结构通常有两种方 式： 1 ) 铰轴转向式：转向轮( 万向轮) 装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机 械连杆机构控制铰轴从而控制转向轮的转向。 2 ) 差速转向式：在小车的左右轮上分别装上两个独立的驱动电机，通过控制 左右轮的速度比来实现车体的转向。在这种情况下，非驱动轮应为自由轮。 据上所述，轮式移动小车通常有以下几种可选方案： 1 ) 三轮铰轴转向式：如图3 - 2 ( a ) 所示，轮l 为铰轴转向轮，它同时也可以作 第1 9 页 无轨自动伸缩门的研制 为驱动轮。如果轮1 不作为驱动轮，可将轮2 或轮3 之一作为驱动轮。 2 ) z 轮差动转向式：如图3 - 2 ( b ) 所示，轮1 为随动轮，它可以自由转动，轮 2 和轮3 都是驱动轮。 3 ) 四轮铰轴转向式：如图3 - 2 ( c ) 所示，轮1 和轮2 为转向轮，它们之问有 同步轮转向连杆，转向通过转向电机来实现，轮3 或轮4 为驱动轮。 4 ) 四轮差动转向式：如图3 - 2 ( d ) 所示，轮1 和轮2 为自由轮，轮3 和轮4 分别由不同的电机来驱动，以实现差动转向。 o )口) 图3 - 2 移动小车结构方案 四轮结构比较简单，能够满足一般的需要，应用也比较广泛。在本课题 中，移动小车有一定的总重量，且要移动平稳，所以采用四轮就能满足要求。 铰轴转向式控制简单，但精度不是太高。差动转向式控制复杂，但精度较高。 为了以后的轨迹规划打下一个良好的基础，其运动和转向的精度应该高，综 上所述，本课题采用四轮差动转向式。 3 1 2 小车各部分构成 l 。驱动电机 驱动电机采用直流力矩电机，这是因为直流力矩电机具有优良的速度控 制性能，具体来说，它具有以下优点： ( 1 ) 具有较大的转矩，以克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩。 第2 0 页 无轨目动伸缩门的研制 r 2 1 调速范围宽，且运行速度平稳。 f 3 ) 具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化。 ( 4 1 电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击 的影响。 2 车架 车架要求从强度和刚度上满足车体运行和加速时的要求，同时又不能太 重，因而采用硬铝作为车架的材料。装有与驱动直接有关或重量较大的部 件( 如蓄电池) 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。 3 减速装置 。 电机和车轮之间采用蜗轮蜗杆传动，减速比为1 ：2 0 。电机与蜗杆之间 通过联轴器相联，蜗轮与车轮装在同一个轴上，它们的转速相同。 4 万向轮机构组成 随动轮不产生驱动力矩，它只起支撑作用，在机器人转向时它可以自由 转动。为了转向灵活，车轮与转向轴中心线之间有一定的偏心距。 3 2 小车的运动学模型 为了实现移动小车运动状态控制，须建立四轮移动小车运动分析模型，因 此我们假设它的结构模型如下图： 图3 3 移动小车尺寸示意图 其中：q 移动小车运动中心 2 b 驱动轮间距 第2 l 页 右糊 无轨自动伸缩门的研制 2 r 驱动轮直径 d 质心( 重一t s ) c 与运动中心q 之间距离 自主移动小车的运动分析如图3 3 所示。设左例的车轮速度为圪，右侧的车 轮速度为，在很短的时间间隔出，小车的方向和速度可以近似认为不改变， 有几何关系推导出： o 图3 4 自主移动小车运动学分析 矿：世( 3 1 ) 2 d 口：丝二坠! 西 2 b k = v s i n o ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 圪= v c o s 0 ( 3 - 4 ) 式中 v 为小车中心q 点的速度 d 占为小车在a t 时间转过的角度 为小车中心q 点的速度v 沿x 坐标方向的分量 虬为小车中心q 点的速度v 沿y 坐标方向的分量 目为小车中心的速度方向与坐标方向的夹角 令小车的初始方位角为瓯，j 、车的初始位置( x o ，y o ) ，由( 3 - 1 ) ，( 3 2 ) ，( 3 3 ) ， ( 3 - 4 ) 式可以推导出： 第2 2 页 无轨自动伸缩门的研制 口= 岛+ i 斗 s ， x = + c v s i n l t ( 3 6 ) y = y 。+ 【v c o s o d t( 3 式中0 为小车t 时刻的方位角 x ，y 为小车t 时亥0 的位置 通过几何关系，我们可以推导出小车的角速度和转弯半径r 满足以下 关系式： 国：盟( 3 - 8 ) 2 b 矗：烈 ( 3 - 9 ) 慨一) 由式( 3 - 5 ) ，( 3 6 ) ，( 3 7 ) ，( 3 - 8 ) ，( 3 9 ) 可以看出，通过控制、小车左 右两驱动轮的速度，可以使小车的中心沿任意设定的轨迹行走。 3 3 电动机模型 3 3 1 电动机控制模型 1 ) 直流电机转矩平衡方程 小车移动机构的执行部分是直流电机。直流电机的电磁转矩丁为： t = c ，。( 3 - 1 0 ) 式中：，一电磁转矩 c 。一转矩常数 毋一单极磁通 ，。一电枢电流 电动机的输出转矩并不就是电磁转矩。因为电机本身的机械摩擦和电枢 铁心的涡流、磁滞损耗等都要引起阻转矩，如果把电机本身的阻转矩加 第2 3 页 一一蒌垫! 垫! ! 笙塑堕翌型 上负载的阻转矩叫做总阻转矩。当电机稳定运行的时候，存在转矩平 衡方程式： 丁= t 在实际中，有些电动机经常运行在转矩变化的情况下，例如启动、 停转和反转，因此必须考虑速度变化的转矩平衡关系。当电机的转速变 化时，转动部分的转动惯量将产生