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游乐设施行走装置的设计（飞碟行走装置）【优秀机械毕业设计】【word+CAD图纸全套】

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游乐设施行走装置的设计（飞碟行走装置）【优秀机械毕业设计】【word+CAD图纸全套】.rar

游乐设施行走装置的设计（飞碟行走装置）

外文翻译=运动学，动力学和控制单轴，两轮车辆（双平面自行车）=1W支付.doc---(点击预览)

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中间轴.dwg

大皮带轮.dwg

大链轮.dwg

套.dwg

小皮带轮.dwg

小链轮.dwg

行走装置A0.dwg

车轮轴.dwg

轮组A1.dwg

轴承组件.dwg

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关键词：: 游乐设施行走装置设计飞碟优秀优良机械毕业设计 word cad 图纸全套

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摘要

本课题是关于游乐设施行走装置的设计，游乐设施是指用于经营目的，在封闭的区域内运行，承载游客游乐的载体。本设计包含有两种运动：行走装置摆动和旋转。往复摆动的传动路线是：直流电机→皮带传动→链传动→驱动轮。行走装置旋转采用机械传动，传动路线是：直流电机→带传动→减速器→齿轮→回转支承装置→行走装置。

本文分两部分，设计说明书和设计计算书。设计说明书介绍了华夏飞碟行走装置的背景和发展趋势及设计依据和设计方案。设计计算书阐述了华夏飞碟运行驱动装置计算、主要受力零件强度计算、主要受力零件疲劳强度的校核等。

关键词：行走装置；运动；受力；计算

ABSTRACT

This topic is about the design of amusement facilities walk device, the ride that is used for business purposes, in a closed area operation, carrying visitors the carrier of amusement. This design includes two sports: walk swinging and rotating device. The transmission line is swung repeatedly: dc motor and transmission belt, and chain drive wheels. Walk the mechanical transmission device rotation, transmission line is: dc motor and reducer, gear and belt transmission and supporting device to turn walk device.

This paper is divided into two parts, the design specification and design calculations. The design specification introduces huaxiafeidie walk device background and developing trend and design basis and design. Design calculations expounds huaxiafeidie operation drive calculation, the main stress parts strength calculation, the main stress parts of the fatigue strength check.

Keywords: walk device; Exercise; Stress; calculation

1.绪论....................................................................................................................................................................1

1.1前言1

1.2设计目的1

1.3发展趋势及背景1

1.4设计依据.................................................................................................................................................2

1.5设计方案.................................................................................................................................................2

1.5.1运动方案及工作原理.................................................................................................................2

1.5.2结构方案.....................................................................................................................................3

2. 设计计算书5

2.1运行驱动装置计算5

2.1.1电机的选择5

2.1.2带传动5

2.1.3链传动6

2.2主要受力零件强度计算7

2.2.1轴7

2.2.2行走轮轴8

2.2.3侧轮轴10

2.2.4中间轴11

2.2.5销轴Ⅱ13

2.2.6框架与支架13

2.3主要受力零件疲劳强度的校核14

2.3.1轴14

2.3.2行走轮轴14

2.3.3侧轮轴14

2.3.4中间轴15

3.小结16

参考文献17

致谢18

1绪论

1.1前言

这次设计是对大学所学课程的一次深入的综合性的连接，也是一次理论联系实际的训练。因此，它在我们的大学学习生活中占有十分重要的地位。

就我个人而言，我希望能通过这次毕业设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，初步掌握设计行走装置的基本原理和方法，拟订设计方案，完成行走机构的设计，为今后参加祖国的现代化建设打下一个良好的基础。

由于能力所限，经验不足，设计中还有许多不足之处，恳请各位老师多加指教。

1.2设计目的

本课题是关于游乐设施行走装置的设计，游乐设施是指用于经营目的，在封闭的区域内运行，承载游

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内容简介：: 中国地质大学长城学院毕业设计（论文）任务书学生姓名张玉琴学号 05208303 班级 08 级机制三班指导教师孙晓燕职称助教单位中国地质大学长城学院毕业设计（论文）题目游乐设施行走装置的设计毕业设计（论文）主要内容和要求：本课题是关于游乐设施华夏飞碟的行走装置的设计，游乐设施是指用于经营目的，在封闭的区域内运行，承载游客游乐的载体。作为特种设备之一的游乐设施，国家为了扶持游乐设施的国产化趋势，发布了最新的游乐设施安全标准是 2008 年 8 月 1 日起实施的游乐设施安全规范。设计过程要严格考虑安全问题。 1、主要技术参数整机技术参数乘坐人数： 22 人瞬时最大运行速度： 8 米 /秒（ 28.8km/h）上下微摆最大幅度： 0.32 米整机使用寿命： 8 年毕业设计（论文）主要参考资料： 1 孙桓 .机械原理 M.北京 :高等教育出版社 ,2006. 2 哈尔滨工业大学理论力学教研室 .理论力学 M.高等教育出版社 ,2002. 3 刘鸿文 .材料力学 M.高等教育出版社 ,2004. 3 全国索道、游艺机及游乐设施标准化技术委员会 .游乐设施安全技术监察规程（试行）J. 国家质量监督检验检疫总局， 2003 4 全国索道、游艺机及游乐设施标准化技术委员会 .GB8408-2000 游艺机和游乐设施安全 J 中国标准化杂志， 2002 nts毕业设计（论文）应完成的主要工作：设计的主要工作： 1、行走装置的总体设计主要包括：行走装置设计的要求，行走装置的工作原理，行走装置的设计构思，行走装置的使用和效果。 2、行走装置零部件的设计和计算主要包括：带传动设计和计算、链传动设计和计算、轮组的设计和计算及轴承的选择等。设计图纸的主要要求： 1、总装图 A0 图纸 1 张。 2、传动部装图及相关零件图若干张。 3、设计的工程图样折合成图幅为 A0 两张以上。毕业设计（论文）进度安排：序号毕业设计（论文）各阶段内容时间安排备注 1 查阅资料，完成外文翻译和文献综述定稿 2011.12.22 2012.01.06 2 进一步收集资料，学习相关资料 2012.01.10 2012.02.20 3 整理资料，拟定设计方案 2012.02.24 2012.02.28 4 行走装置总体的设计并绘制总装图 2012.03.04 2012.03.24 5 行走装置零部件的设计计算并绘制各零件图 2012.03.28 2012.04.18 6 编写设计说明书 2012.04.20 2012.04.30 7 老师审阅，准备答辩 2012.05.02 2012.05.08 8 毕业答辩 2012.05.25 2012.05.30 课题信息：课题性质：设计论文课题来源：教学科研生产其它发出任务书日期：指导教师签名：年月日 nts教研室意见：教研室主任签名：年月日学生签名： nts 1 中国地质大学长城学院本科毕业设计外文资料翻译系别：工程技术系专业：机械设计制造及其自动化姓名：张玉琴学号： 05208303 2012 年 1 月 24 日外文资料翻译译文运动学，动力学和控制单轴， nts 2 两轮车辆（双平面自行车）迈克尔肖恩雅培主席查尔斯 F Reinholtz 机械工程摘要两个、一个轮子，单桥，差分驱动的车辆具有许多相比传统的汽车设计时的突出优势。特别是，此配置具有高牵引力因素，零转弯半径，固有的静态和动态稳定性的特点。驱动力矩是通过提供摆动反应集中悬挂在下面的轴。虽然机械简单，可以产生的非线性车辆动力学相当复杂。如果非摇摆平台或硬件安装需要则出现额外的设计挑战。最终，这款车类有很大的潜力，如排雷，行星探索，自主机器人应用和自治区远程检查。本论文讨论了这类车的运动学和动力学分析和开发设计工具，包括性能和控制策略。此外，它面临着稳定的平台问题，并提供了一个解决方案，同时建议其他应用程序的替代设计概念。关键词：动力学；控制；二轮；车辆致谢当我开始我的研究生生涯的时候就知道，我要感谢：兰迪索珀，同事，导师，董事会，和朋友。自我打拼以来，他一直相信我在最后的一点能量和动力工程的动力学上起媒介作用，开辟了一个全新的世界。虽然我们从来没有公布我们的惊天动地的理论研究，一边吃着免费的土豆片和塔科沙拉，知识进一步激励我所能想到的所能做到的。最后，他让我开始负责这项工作，并摆在首位。上述任何人，我想感谢，在我的生活中最重要的人希瑟肯尼迪。我永远感谢她，每周在办公室我花了将近一百个小时，（再次，可能是兰迪的故障）。她在让了解我的齿轮油方面的耐心，此外车轴油脂的恶臭，是必然有害的，如果我是理智的，我是留在几个小时，而不是在办公室。她一直是一个巨大的情感和心理支持，我整个这几年，我将永远感谢。目录 nts 3 1 导言 .1 2 文献回顾 .4 3 平面的动力学模型和控制策略 .5 3.1运动模型 .5 3.2平衡条件和动态稳定性 .6 3.3非线性效应的数值模拟和示范 .7 4 未来工作结论和建议 .8 4.1未来工作 .8 4.2结论 .8 参考文献 9 nts 1 1 介绍自从车轮的地面交通的可行途径成立以来，人们在对人员和货物的运输上，永无止境的追求其使用。各种形状，大小和重量的车辆来完成一项任务或已完成另一项。虽然在设计和预期的应用大大不同，我们可以分类，在一个单一的设计功能方面的地面车辆、车轮的数量。这种分类不能确定一辆比另一辆汽车的上的优势。但是，它确实提供一个度量设计师可能对车辆的潜力估计性能特点和一般能力。因此，按理说，历史记录应该展示出人类追求动态分类每一个可以想象的数量特征和车辆的性能优势车轮。这是事实。只需通过检查地面的设计和使用交通整个历史上，我们可以看到在实验和完善一切从那些含有或没有轮子（曲目或腿）的车辆设计的数百个车轮（火车）。图 1.1 给出已知的最好的单轮车辆，独轮车。虽然这将是目前以来唯一可能的配置轮，从来没有被证明的设计本身在人员和货物的运输上作为一种有效手段。但是，它仍然作为主流社会娱乐和娱乐的来源。图 1.1：单轮车辆图 1.2：标准两轮车辆同样，在图 1.2中，我们看到这种两轮自行车的共同看法，这样的设计，但内在的不稳定性，已发现的广泛使用和世界各地的验收。虽然标准的自行车以极大的满足成功的人力和发动机为动力的运输作为其整体效用，主力仍然是一个争论的焦点。数以百万计的世界各地的人依靠自行车为标准作为他们主要的交通工具。然而，货运能力是有限的。在这一点上，我们可以在车轮上的车辆和其相对的对社会有用的之间的相关性多少做出一个有力的论据。事实上，我们可以继续这种模式通过检查一些较为成功的三轮设计。虽然没有自行车和摩托车数量普遍，这种设计显示了一切从玩具三轮车到商业上的成功和在道路上的车辆。图 1.3 提出了在 1920年年底，摩根汽车公司的销售一个非常成功的三轮汽车。即使设计失宠，相比有更多的车辆轮毂，这些类型的车辆的收藏家和驾驶爱好者仍然高度赞誉和追捧双方。当然，他们也往往是更稳定自行车和摩托车，但问题仍然存在。事实上，它是高速三轮全地形车，最终导致其消亡的不稳定约翰逊， 1991。因此，如果我们继续更多更好的前提，我们可以考虑几个地面车辆设计中更多的步骤。图 1.3：生产三轮汽车（ 1929 年摩根超级体育航空）图 1.4：生产四轮车（ 1963 年奥斯汀 Healey 的 3000 MKII） nts 2 任何需要，可以说关于四轮车的成功最好的之一 ;其中的例子是，在图 1.4.没有其他车辆类型，比标准的汽车满足更多公众的热情。四轮车辆使用于公共，私人，交通和工业，并已成为美国的图标梦想。人民和货物金额是我们再次看到不断增加的数字移动每年对世界的道路。在他们的看来，相比四轮成功汽车类，流行的两轮和几乎被遗忘的三轮车是原始的。但是，即使有四个两轮车令人难以置信的成功，增加效用并没有结束。专门设计货物的大型卡车处理可以有 10 到 22轮。这些例子，在考虑人员和货物的运输上更多的车轮本身带来更多的实用有效地支持论文。最后，如果我们采取实用的车轮向着极限的相关数字，我们发现一个最有影响力的汽车类型，因为车轮本身的发展，火车（图 1.5）。主要负责为美国扩大在西方，火车代表轮实用相关限制。一列火车的体积最致力于货物。因此，其在地面运输效率是不可否认的。即使在今天，当大多数美国人不乘坐火车，但它仍然在产业的最前沿运输。图 1.5：多轮的地面车辆：火车我们提出一个支持更多的车轮是更好的主意的论点。鉴于这种明显的相关性，人们会认为调查两轮的概念将被证明是徒劳的。然而，这里必须考虑的是，历史地面车辆的发展重点放在效率，在业务，电子商务，个人交通。此外，地面车辆的设计师一般工作根据假设车辆的控制，最终会落入一个人手中试点。如果受雇于另一个实用的度量，我们可以看到很多不同的结果。通过苛刻和不连续的地形将预计情况下考虑，在车辆设计的动力是运动，如战争。在准备路面但履带式车辆有多个轮子的车辆用于部队和货物首选设计类越野穿越地形。此外，履带式车辆已被证明有效的其他条件的地方，地形不整洁或带轮子的用条件。行星探测，特别是已经穿越雪地，以及任何申请，要求零转弯半径，这一设计理念的吸引力。显然，一些应用程序保证比一个由传统的地面运输动机有相当不同的设计方法。运输车辆的设计已经从侧重于细化力学和悬挂到侧重于更多的电子和控制一体化系统。因此，大部分车辆机械设计工作正在做非传统应用，如行星探索，连续地形的穿越，爬楼梯，以及排雷。人们可以争辩说，工程社区盘踞多年的载人运输系统的设计，开发的心态。随着新的关注正在考虑在无条件自治机器人和它们的使用环境，车辆设计者必须重新考虑地面穿越老的意见和释放固有的假设，传统的人力驱动的运输方法。这论文反思较早的轮式车辆的方法之一，并有助于开发新的车辆类别，应被视为自主应用，即，双平面自行车。要理解这个概念，首先考虑的一双均匀，平衡车轮设置并进，再加上在每个车轮的中心由一个轴旋转。此外，假设群众已添加在每个车轮在最靠近地面点的边缘。这些群众将被称为反应群众。在平地上，这样的安排将是稳定的。如图这样的安排。 nts 3 图 1.6：双平面自行车概念图 1.7：双平面自行车与在驾驶位置的反应现在，假设群众已被转移到一个不稳定的位置，例如相同的垂直高度为桥如图 1.7这样的安排。很显然，车辆将开始推出，并不会休息，直到人们在他们再次能量最低的位置，如图 1.6。在没有摩擦的情况下，系统会关于无限期振荡稳定的位置。最真实的系统来休息后几个周期的振荡。即便如此，由此产生的平衡位置推进车辆车轮周长的四分之一，假设没有车轮打滑。所有这一切仍然是创建一个开动大量的反应的一个功能的双平面自行车的手段。这可能是一个机动运输，在轨道上沿轮辋移动。一个同样有效，但简单的机械的安排使用在电机车轮中心的移动相轮驱动偏心质量。图 1.8 显示早期的原型车，使用两个无线演习和控制汽车电子产品。图 1.8：双平面自行车的早期原型对每个车轮独立驱动马达和群众的使用允许独立控制每个车轮的议案。另外，我们可以使用相对每个车轮一个单一的，位于中心反应质量和带动多数。在任何情况下，转向通过提供差分驱动。如图原型1.8已被用来成功地证明这两种操作模式。单一反应质量机械简单，并已成为我们工作中的首选体现。无论是在一个极其灵活的车辆配置结果，可以按照任何路径，甚至包括零半径转弯。它似乎直观，双平面自行车将在穿越地形时参与陡坡或如楼梯上的障碍是欠缺的。然而，可能是直觉误导。在最传统的车辆，有三个或更多车轮半径车轮限制最大的单步可以提升车辆的大小。这也是真实的双平面自行车，但是，由于车轮尺寸大，在关系到车辆的整体，障碍是相对容易克服。此外，由于“轴距”的双平面自行车是零，也成为一个其框架下楔障碍滞留车辆的可能性。反应质量很容易与地面的干扰，特别是因为我们想它是在最极端的可能半径。保持反应质量尽可能接近车轮，甚至里面的车轮轮辋，将最大限度地减少或消除这种担心。其余本论文探讨一个被认为是静态和动态的平衡的简单平面模型及其相关的动态的车轮打滑的问题。考虑在第四章，第五章基于输入波形介绍车辆性能笼罩。第六章介绍了必要的信息来完成三维动态仿真。其余各章处理二级在发展本汽车类的设计考虑。 nts 4 2 文献回顾我们建议在第一章，地面车辆的发展历来所需要的人员和货物从一个位置移动到另一个位置，总是与人为操作的意图。只有自开始作为一种可行的控制工具的微处理器具有自主机器人的设计和使用才能成为现实。现在，我们能够从车辆的人为操作，我们抛开这些整车设计更自由。双平面自行车笨拙的运送人，但它作为一个独立的使用潜力巨大车辆。因此，本文似乎是第一个这种类型的分析考虑整车的平台。图 2.1：罗马战车图 2.2：南指着臭名远扬的战车例如，图 2.1是一个艺术家的一个最常用的表示公认的古代两轮式车辆。罗马战车，在战争中使用，以加快攻击，仍然可以发现今天表现在赛马运动。一个老得多和鲜为人知的古老的两轮车辆使用的是体现在工程努力一个惊人的例子。在中国发明的，臭名昭著的南向战车的目的是作为一个导航援助。虽然它的设计是类似罗马战车，其作战意图是大不相同。南向战车使用一个简单的差动齿轮火车顶尖为保持恒定的指向。这是假设车辆将无滑移的动态约束下实施，航位推算导航差产生的将是准确的。由于两轮牛车，马车，和车的普遍使用，我们发现它有用的进一步完善我们的打算时，描述为“双平面自行车一辆。”考虑修改后的“双平面”自行车标准的想法。图 2.3：标准的自行车，美国专利 4684143 图 2.3给出最常用的术语中自行车的图像。这里要注意的是，相同的空间内运行主要的两个轮子，只能在曲折的偏离。因此，双平面修饰的目的是排除标准的自行车，意味着只包含两个轮子，单桥车辆配置。虽然这大大限制了定义，它不是所有的都需要。在名称上不暗示双平面自行车的固有特征，是只有两个地面接触点的存在。考虑数字显示的战车 2.1 和 2.2。这两种，随着每两轮车出有史以来，依靠人，驮畜，或其他推进源被贴在在前面或后面的轮的车辆的位置。这种限制的结果是创造了三分之一地面上的接触点。这使车辆以类似的方式执行三轮车。更重要的是，它可以让车辆保持一个给定的方向与尊重牛顿地面。当我们讨论了双平面的自行车，我们正在考虑两点接触地面，因此，没有方向参考的唯一车辆。作为一个可以想像，这限制了我们在极少数的车辆的定义。事实上，在这种严格的定义下大多数人可能从来没有见过车辆。然而，一些确实存在。 nts 5 在 1998年 A. Namngani 一个被授予专利的人，而不是移动车辆货物。他的设计，以各种方式，被定义为双平面车辆。图 2.4：车辆有两个轴向间隔的相对移动的轮子，美国专利 576944 图 2.5：双平面自行车 Kriewall 企业，公司制造图 2.4 提出 Namngani 的设计。它是明显的，从图中的双平面自行车，可以非常笨拙的当人类交通工具设计。虽然我们没有有证据确认是否这种设计能够物理实现，我们确信它本来就制造非常困难。但是，成功的尝试已取得建立和运输人的双平面自行车。图 2.5 是一个成功的双平面自行车的一个有趣的例子。这个例子使用在罗密欧 MI游行区。虽然其主要目的是娱乐，它有所有功能，使我们的车辆类别的合法和业务成员。除了这两个例子，很少可用来证实任何历史使用双平面自行车。由于双平面自行车的使用有限，按理说，很少从未做过分析工作，以了解其动态。在类似的双平面自行车地面上任何车辆的技术文献没有什么可以被发现。许多工作差分驱动的车辆已完成，但我们两点限制地面接触，使这项工作无关。本论文提出第一本汽车类的分析考虑。 3 平面的动态模型和控制策略在第一章中，我们介绍了双平面自行车表明它的潜力对性能和简单的自治领域很有吸引力的机器人。出于这个原因，重要的是，我们理解的动态特性车辆。像任何新的车辆，业务领域仍然不明或误解，最终导致不可预知的故障模式。我们也从第二章的理解，没有运行，已做分析运动学和该车辆类别的动态。因此确定为这项工作的出发点容易。如果我们什么都不知道，但最好是一个动态代表性的模型简化的开始。 3.1 运动学模型该系统可以大大简化了其几何对称性的固有优势。只考虑一个车轮的平面内的表现，我们删除通常轮式车辆相关的非完整约束。这个概念将重新在第六章时，完整的三维动态而得。我们可能会进一步降低无滑移施加约束条件的复杂性不反弹。有人可能会说对于任何实车这些假设将导致错误的结果。为了减轻在这方面的任何恐惧，基本概念和有效性无防滑和无反弹的约束将在第四章重新被考虑。最后，在为了留下一些一般性的解决方案，我们假设平面模型进行滚动任意倾斜 b 度。理想化的平面双平面自行nts 6 车模型。如图 3.1 所示。图 3.1：理想化的双平面自行车运动图当然，将所有元件的大量来用用于这辆车的任何物理实现。不过，我们这里假设链路 l 的质量是相对轮反应可以忽略不计的。这个假设可以通过一个简单的思想实验的验证。如果链路 l 具有实质性肿块，为了保持正确的位置我们可以结合反应的质量和调整为中心或质量的相对的车身的有效链路长度。这样做，我们可以再次忽视链接，同时避免随后一般性任何损失计算。然而，我们也建模为一个点的反应质量，而不是刚体。这样做的结果假设是转动惯量的动能发展长期缺少。 “虽然量化，这个假设的影响，被认为相对轮旋转动力学是微不足道的。幸运的是，假设零质量链路 l 时，分析了系统的静态和动态的平衡，是没有影响的。鉴于运动学的定义和所有的假设，我们准备发展平面的动态模型。 3.2 平衡条件和动态稳定性之前，我们可以考虑设计或控制的双平面自行车类车辆，调查在全球范围内的稳定将是明智的。要做到这一点，我们只需考虑（ 3.12）和（ 3.13）式。可以很容易地得出两个平衡状态。首先，考虑案件中，坐在车辆任意斜率度固定。在这限制的情况下，所有的角速度和加速度减少是恒为零。何时我们执行此条件下的运动方程，它们减少到其中在前面的方程，我们用符号这样表示平衡的（ T）值。按理说存在一个斜率的限制值后，车辆将不能持有其立场。为了确定这个结果我们解决的边界在前面的方程为。最终的解决方案发生 F的固有的局限性，因为我们不能容许的角度很复杂。显然， B必须是有界的上面和下面，以确保逆正弦操作数小于联合：从式（ 3.15）的另一个有趣的结果是两个平衡值的含义 FO。它将会显示在第二象限的解决方案始终是不稳定的。此外，与式（ 3.16）对应于稳定的节点分岔其中的平衡解决方案的合并和消失的边界。这种现象出现在关联动态条件下不成功地试图来保持静止或爬上坡的旋转车辆。旋转的动态状态中被定义为这反应的质量，使至少有一个完整的旋转轴周围。第二个条件的均衡是指，假设车辆保持了恒定速度超过恒定地形坡度在先前定义的限制。这 F = 0 的条件也可以满意。当这种情况后，执行运动方程为平衡速度方程 nts 7 而均衡 pendulation的角度继续满足式（ 3.15）。然而，知道存在这些平衡位置不一定有足够的了解车辆动态特性。这也将有助于了解的稳定性平衡位置。可以证明这种动态平衡的稳定性，利用 Lyapunov 线性化方法 Slotine和李（ 1991）。我们执行的动态条件平衡和实施系统后，下面的扰动：其中 e是一个小的无量纲参数（ E 1）。在以下这个结果代表有关动态系统的线性方程系统平衡请注意，在刚度矩阵的非零长期的迹象只取决于 FO象限。因此，我们主张有关的静态平衡点的稳定性由式（ 3.15）已被证明。以系统的拉普拉斯变换式（ 3.20），产生一个特征值问题，其解决方案是由根特征多项式：我们注意到，单刀零对应的循环坐标 q（控制方面，我们已经开发出一种非最小状态的实现）。稳定的剩下的一部分极可能被使用的劳斯 - 赫尔维茨技术验证。 “式（ 3.16）分析表明，不断向前高速的条件下平衡点是稳定的，对所有物理设计参数值。执行本系统的 Routh-Hurwitz 稳定性分析后，人们可能会得出结论：该系统是稳定的。这就是说，任何命令电压最终将导致稳定状态，控制前进速度。然而，我们将会看到，这是情况并非如此。这导致的结论，该系统简单的线性控制可能不会产生足够强大的设计。因此，预计一个更复杂的，非线性控制如果我们希望这一类车辆，其整个控制算法，将需要实验地形，速度和加速度的信封。这些非线性容易证明原，无量纲方程的数值解运动。 3.3 非线性效应的数值模拟和示范数值积分方程提供了一个模拟环境系统的响应。这种模拟环境是有益的发展理解和直觉有关系统，并提供了一个工具，可应用于反馈控制法的发展。宏观尺度的非线性影响（即，远从平衡条件）被陈列在系统的开环（即，不受控制响应）。例如，考虑向上穿越了五度等级。如可能的话预计，更高一步的输入电压产生较大 pendulation 角度期间的 F 瞬变（图 3.2）。而稳态的速度只取决于电压，稳定状态pendulation角度取决于只在斜坡上，瞬态过冲 pendulations预计的反应，因为质量是加速源。因此，nts 8 增加电压阶跃（即稳态速度设定点）增加冲。当然，这种冲增加仅提供改进的响应，直到 pendulation角度达到九十度。任何施加电压的进一步增加更多的利用电阻的需求将导致旋转质量比可以提供通过引力势。其结果是旋转。一旦 f超过不稳定平衡和旋转的开始，它是不太可能直接开环应用控制策略，将导致车辆在达到所需的速度向前平衡。在旋转时，离开斜坡的两轮车辆，电机的能量相当大一部分变成存储为动能能源钟摆质量。图 3.3表明新的，稳定的，动态的平衡。即使在稳态反应质量继续在车轮旋转（即，呈现极限环的行为），造成了类似的限制周期速度，负直流，但偏移。我们强调，系统展示新的平衡行为并不代表稳步向前高速平衡的不稳定分支。根据劳斯赫尔维茨分析，目标平衡，保持其稳定，显然是一个替代的解决方案存在。初始条件和直流电压幅值决定了最终的平衡车辆的响应。正如图。 3.2 和 3.3 表明，非线性性质问题可能会导致意想不到的反应。平衡的流域的吸引力边界生成一个非线性系统的行为形成了鲜明的对比。图 3.2和 3.3 有相同的初始条件，只有万分之一的不同无量纲的输入电压。虽然不断向前高速平衡已被证明是普遍稳定，数值模拟，反对简单的开环的命令。反馈控制可提供所需的性能一致性。 4 结论和今后工作的建议这项工作已勾划出的数学基础，分析方法，并设计必要的策略来完成任何双平面自行车的强大和可靠的设计应用。在汽车类的背景下他们真的提供了坚实的，虽然这里的数学和模拟在其扩展到特定任务的车辆可以证明是有用的，从设计师可能培养一个直观的广义的性能和控制特性的理解。了解在任何的双平面的未来发展是至关重要的，这里已经做了哪些性质自行车。话虽如此，我们现在可以考虑一些这自然副产品研究必须考虑任何未来的发展努力。 4.1 未来工作已提出的三维车辆的动态，但没有得到解决。在这段时间，运动方程的符号表示超出可用的计算能力。然而，动态的解决方案，符号或数值，应研究在地面导航。直到这时，应用目前正在审议中，死清算似乎是合乎逻辑的自主地面车辆的算法选择。虽然是一种广泛航位推算接受的导航方法，我们可能会发现整合全球定位更适合一些车辆的应用。需要在事件 GPS导航没有不再代表作为主要的设计挑战。相反，一个更深的了解的三维动态将需要在特定轨迹的规划和控制超过闻名地形。小心航行控制计划可能证明自己是一个有益的减少控制的努力，减少能源消耗，旅行时间的手段，和控制避障。因此，按理说，在涉及的建设和实施的双平面自行车的增加中作为技术，我们的能力分析建模和预测系统的行为将变得更加重要。事实上，三维动态模型可能有一天会取代平面系统这里介绍的车辆设计方法的骨干。 4.2 结论在这项工作中提出的研究使我们确信，在自主地面车辆的设计选项中双平面自行车是一种可行的。我们已经看到动态表现，虽然复杂，有时不直观，不意味着顽固或不可控的。我们还表明，一些与更多的重大问题例如平台稳定的双平面自行车概念与现代轻松地反击控制和设计技术。我们希望在未来的某个时候，这个小角色地面车辆会发现其利基，执行，并取得成功的方式，作为其较为常见的情况，将激起工程师和其他相同程度的兴趣。我们相信它已经有了一个良好开端。 nts 9 参考文献 1 Abbott，硕士， Soper, R. R.,DE， 1999 年， CF Reinholtz， “平面动力学与控制的两轮单轴车辆，“法律程序的 1999 年 ASME 国际机械工程大会暨展览会田纳西州纳什维尔 .11 月 2 avallone， Eugene A., and Baumeister III， T.， 1987 年，商标的标准手册机械工程师第 9 版，麦格劳 - 希尔，纽约 3 James, P.， Thorpe， N.， 1994 年，古代发明， Ballantine 书，纽约 . 4 Johnson, Frank H，等。人， 1991 年，“更安全的亚视，”客车会议和博览会，第 45 卷 ,1-12 5 Koon， WS， 1997 年，“减量化，改造和优化控制非完整力学系统具有对称性（拉格朗日减少，哈密顿动力学），“博士论文中，加州大学伯克利分校。 6 mchler， Philip， “墨西哥国家石油公司 -BE”，巴黎高等洛桑联邦理工学院，艾尔维 95（发表演说智能自主汽车会议），埃斯波，佛罗里达州 6 月 14 日， 1995 年 7 meirovitch， L.， 1989 年，威利跨学科，新结构的动力学和控制。 8 meirovitch， L.， 1970 年，分析动力学的方法，麦格劳 - 希尔，纽约。 9 neimark， J. I，和 Fufave， NA， 1972 年，非完整系统的动力学，美国数学学会，普罗维登斯， RI。 10 nayfeh， AH 和 Mook， DT， 1979 年，非线性振动，威利，纽约。专利 1 Barber， G.， 1977 年，“汽车，尤其是机动车辆，”美国专利 4163567 2 Horn， A.， 1991 年，稳定高速双向轮式车辆“，”美国专利 5181740。 3 James， DW， 1994 年，“三轮比赛轮椅具有可调中心的质量，“美国专利 5480172 4 Morin， D.， 1984 年，美国的“球形滚动休闲娱乐，凯奇”专利 4579336 5 namngani， A.， 1998 年，“汽车有两个轴向间隔的相对移动的车轮，”美国专利 5769441。 6 Salmon， JR， 1987 年，“赛艇型车辆，”美国专利 4700962。 7 samsel， F.， 1974 年，“玩具车”，美国专利 3893707 8 werdner， M.， 1986 年，“越野车”，美国专利 4779691。 nts 10 外文原文 Kinematics, Dynamics and Control of Single-Axle, Two-Wheel Vehicles (Biplanar Bicycles) Michael Shawn Abbott Charles F. Reinholtz, Chairman Mechanical Engineering (ABSTRACT) A two-wheeled, single-axle, differentially driven vehicle possesses many salient advantages when compared to traditional vehicle designs. In particular, high traction factor, zero turn radius, and inherent static and dynamic stability are characteristics of this configuration. Drive torque is provided via a swinging reaction mass hanging below the axle. While mechanically simple, the resulting nonlinear vehicle dynamics can be quite complex. Additional design challenges arise if non-pendulating platforms or hardware mounts are required. Ultimately, this vehicle class has great potential in autonomous robotic applications such as mine clearance, planetary exploration, and autonomous remote inspection. This thesis discusses the kinematic and dynamic analyses of this vehicle class and develops design tools including performance envelopes andcontrol strategies. Further, it confronts the stable platform problem and provides one solution while suggesting alternative design concepts for other applications. Acknowledgements Anyone who was around when I began my graduate career knows that I have to thank Randy Soper: colleague, mentor, sounding board, and friend. He single-handedly convinced me to take intermediate dynamics which, while draining me of every last ounce of energy and motivation, opened an entirely new world of engineering in which I have been playing ever since. Although we never published our world-shattering theoriesmulled over while eating free chips and taco salads, the intellectual stimulation drove me further than I ever thought I could go. Finally, he was responsible for getting me started on this work in the first place. Above anyone else I would like to thank Heather Kennedy, the most important person in my life. I am forever grateful that she put up with me during the times I spent nearly one hundred hours a week at the office (again, probably Randys fault). Her patience in understanding that my stench of gear oil and axle grease was a necessary evil if my sanity was to remain during the few hours I was not in the office. She has been a tremendous emotional and psychological support to me throughout these past few years and for that I am eternally thankful. nts 11 Table of Contents 1. INTRODUCTION 1 2. LITERATURE REVIEW . 4 3. PLANAR DYNAMIC MODEL AND CONTROL STRATEGIES .7 3.1 Kinematic Mode .7 3.2 Equilibrium Conditions and Dynamic Stability . .8 3.3 Non-Traditional Rate-Feedback Control .9 4. CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS FOR FUTURE WORK .11 4.1 Future Work . 11 4.2 Conclusions . 11 REFERENCES .12 nts 1 Chapter 1 Introduction Since the inception of the wheel as a viable means of ground transportation, man has been on a never-ending quest to optimize its use for the transport of people and cargo. Vehicles of all shapes, sizes, and weights have been built to accomplish one task or another. Although vastly different in design and intended application, we could classify most ground vehicle in terms of a single design feature; the number of wheels. This classification does not predicate advantages of one vehicle over another. However, it does provide a metric against which the designer may estimate of a vehicles potential performance characteristics and general capabilities. Therefore, it stands to reason that the historical record should demonstrate mankinds quest to classify the dynamic characteristics and performance advantages of vehicles with every conceivable number of wheels. This is in fact the case. Simply by examining the design and use of ground transportation throughout history, we can see both experimentation and refinement in the design of everything from vehicles having no wheels (tracks or legs) to those containing hundreds of wheels (trains). Figure 1.1 presents the best known single-wheel vehicle, the unicycle. Although this would have been the only possible configuration at the moment of the wheels inception, the design has never proven itself as an effective means in the transportation of people and cargo. However, it remains in mainstream society as a source of entertainment and amusement. Figure 1.1: One-Wheel Vehicle Figure 1.2: Standard Two-Wheel Vehicle Likewise, we see in figure 1.2 the common perception of the two-wheel vehicle, the bicycle. This design, though inherently unstable, has found widespread use and acceptance throughout the world. Although the standard bicycle has met with great success in both human and engine-powered transportation its overall utility as a workhorse remains a point of debate. Millions of people all over the world rely on the standard bicycle as their primary mode of transportation. However, cargo capacity is meager at best. At this point, we could make a strong argument for the correlation between how many wheels are on a vehicle and its relative usefulness to society. Indeed, we could continue this pattern by examining some of the more successful three-wheel designs. Though not as prevalent in number nts 2 as bicycles and motorcycles, this design shows up in everything from toy tricycles to commercially successful off and on-road vehicles. Figure 1.3 presents a very successful three-wheel car marketed by the Morgan motor company during the late 1920s. Even though the design lost favor compared to vehicles with more wheels, these types of vehicles are still highly acclaimed and sought after by both collectors and driving enthusiasts. Naturally, they also tend to be much more stable than bicycles and motorcycles, but problems still exist. In fact, it was the high-speed instability of the three-wheel all-terrain vehicle that ultimately led to its demise Johnson,1991. So if we continue on the premise that more is better, we may consider severalmore steps in ground vehicle design. Figure 1.3: Production Three-Wheel Vehicle (1929 Morgan Super Sports Aero) Figure 1.4: Production Four-Wheel Vehicle (1963 Austin Healey 3000 MKII) Nothing need be said concerning the success of the four-wheel vehicle; one of the finest examples of which is presented in figure 1.4. No other vehicle type has met with more public enthusiasm than the standard automobile. Four wheeled vehicles are used in public, private, and industrial transportation and have become an icon of the Americanmoved over the worlds roadways every year. Compared to the success of the four-wheel vehicle class, the popular two-wh

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