种微型智能车的结构设计与性能分析.doc

西北工业大学硕士学位论文一种微型智能车的结构设计与性能分析姓名：田海波申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：方宗德20060301曲北：业人学硕七学位论文摘要摘要面对人类探索未知环境和现代战争的需求，人们越来越重视微型智能车的研究。机械结构是该车承载各种仪器设备平台，在整个研发过程中占有非常重要的地位。机械结构设计的合理性以及地面适应能力的强弱，往往决定了其执行任务的成败。在分析国内外微型智能车研究现状的基础上，该论文提出了一种新的小车结构它具有分体式车体、主副连杆式六轮行走机构和电动轮，并对这种智能车结构的越障过程进行了功能分析。为了设计各部件的结构，确定各车轮所需的驱动力矩，在简化轮地接触关系的基础上，建立了小车的准静态模型，进行了准静态分析，从而获得小车在跨越障碍时各部件的受力状况。在考虑非平坦路面情况下，采用位姿矩阵变换法，建立了小车车身位姿与车轮运动参数的关系，并确定了对小车进行正、逆运动学分析的具体过程。同时，研究了小车转向系统的稳态和瞬态响应性能，分析了车体几个主要结构参数对小车转向的瞬态响应的影响，为详细确定车体和行驶系统的结构提供了理论依据。关键词：微型智能车；六轮转向；准静态过程；运动学分析；动力学仿真荫北：业人学硕士学位论文 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ：西北：业火学硕十学位论文第一章鳍论第一辈绪论课题背景随着秘技豹进步，人类的视野越袋越开溺，对未知擞爨避零亍探索豹愿望越来越强烈。迄今为止，人们已经开始了对月亮、火星等字窝挺俸貔探索，瞧开始对地下埋藏的，乃楚海底沉寂的历史古迹、文化遗产、地理地貌的研究。另外，现代战争的复杂程艘越来越高，反恐斗争的难度也越来越大，需要人们能够及时准确地完成各种侦察或作战任务。不过，面对各种复杂的环境，如宇宙星体日夜遗凄变位剧烈、缝澎毫低起董跫硬曼、竣场情凝的突发链帮多受牲等，由于生理艨霾，久餐霉零泰手无蘩。可遥控控制、够适应地形变化的智能化微型车辆，为人类突破这些崩限创造了条件。这种车辆可以适应不同环境，不受温度、湿腱、空间、磁场辐射、重力等条件的影响，完成人类无法进行的探测任务。课题疆突鑫毒意义智能化微型车辆是微型行走机器人的一种，它在各种复杂地形上都具有较高的机动性，可以进入人类无法进入威生存的环境，适用于国防及民用等多个领域，在反恐斗争中瞧可以发挥缀大乍鬻。这静车辆麓主黉应弱领域包李壬以下足令方瑟：（）军事侦察环境探测可以探测各种人类无法进入或适应的环境，完成规模蹙争和反恐作战中的侦察任务。在车上装备摄像机、安全激光测距仪、夜视装谶和卫星全球定位仪蹿设备，通过无线电蠛光缆操级，完成侦豢和美视敌情、愤擞收集、髫自；搜索和囱主迩遂等王务。觚在涡穴或痨屋申逡行搜寻，到边箨巡逻嘲楚，都舂镦鍪餐麓车辆的身影。在国外，微型智能车辆蒋剧束探测金亨塔内一：后室的秘密通道。（）高度机动独立作战“具有在复杂地形中的岛帆动能力，它能快述部鬻，完成侦察、警戚、雕锄：突，遗击乃至解教人质、街巷战？、反恐痒战乏装甲僚战等多科，作战西工业大学硕十学位论文第一章绪论务。在战时，可在车上装备机枪、榴弹发射器、导弹发射架等武器装备，使之具备强大的攻击杀伤力。曾有专家预测，未来战争将是在人的控制下智能无人化机器直接交锋的战争。（）探测危险排除险情在战场上或工程中，常常会遇到各种各样的意外。这对，智能化微型车辆就会发挥很好的作用。美国军方曾广泛使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找地雷和销毁地雷。民用方面，可以探测化学泄漏物质，可以进行地铁灭火，以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。（）安全检测受损评估在工程建设领域，可对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测之外，还可应用于码头、桥墩等被撞后的受损程度探测评估。在制造领域，可用于工业管道中机械损伤，裂纹等缺陷的探寻，对输油和输气管线的泄漏和破损点的查找和定位等”。这种特殊机器人技术集机械、电子、新材料、传感器、计算机、智能控制与网络通信等多门科学于一体，是一种具有基础性、战略性和前瞻性的高新技术。对这种车辆的研究，将为未来地面战争、反恐事业和民用工业的发展提供技术上的有力支持。国内外研究状况世界各国在微型智能车辆领域进行了很多研究，己应用于各个领域，在深空探测和军事领域使用特别多。近年来，我国也开展了很多研究工作，以满足不同用途的需要。（）深空探测领域世界各国开发行星探测行走机器人已经有多年的历史，特别是美国和前苏联，都积累了很多成功经验。美国曾在年问，向月球成功发射了两次无人巡游探测器。年，山美国（全称 ，美国太空总署喷推进实验室）研制的号探测车登卜了火星。尽管它仅仅是。辆工程示范车，有效载荷很小，斫且还不能离玎登陆车太远，但它验证了小，弘火星车的性能，并完成了一系列技术试验。年月，荚幽的“勇气号”和“机遇号”火星探测车再度登陆火星，到为止，已经在火星：巡游了两彩。胁）、联存年州，总共发刑戊 两个川球探测乍，其幽工业人学硕士学位论文第一章绪论中号车（）最成功。该车工作了四个月，行程。欧洲和本也对行星探测车辫了很多深入研究，并已经研制出了样车，不过目前仍未成功登陆。强美凋睬测车登陆火星效暴鞠在国内，清华大学、晗搴滨工渡大学、中国空闽技术礤究浣等秘醑橇褐秘高校，也相继开麟了月球探测车的有关研究工作，并研制出了地面样车，完成了些实验，取得了不少研究成果”。（）军事领域在二袋孛，德戮就营经研裁了数予骥遥控无天鸯瀑式避克，这是无人酸车的最早雏形。近十年来，美国为了满足未来地面战争的需螫，非常重视微型飑馘车辆的研究，已经研究了一系列微型车辆，并已装备军队。在反恐和现代战争中，智能化微烈地面车辆已经得到了很好的应用。美国军方在阿富汗战争翻伊拉克战争中都觜，泛使用无入战车。在这穗次躐争孛，智憝摄黎入公司兹震爨式无久酸车逛整魏撂过数予次懿疰务，跑如扫除路边炸弹，到渝穴或痿尾中进行搜寻等，为战！的胜利键供了有力保障。美国陆军在“自由伊拉克行动”中部署其最新型无人地丽车辆，这种系统被称做“城市勇士”。机器人平台。然本型的系统装备有昼夜照相枫、彩色显示器和录谐设备。此岁卜，根据作战环境需要还有其他一些插即用的设备，瑶壤弱掭控鹫缀臀、照疆纽赣、毙电蕻；测系统组搏、无线电额率记录系统缀传和微生纯传感嚣缓俸。年，荧旧围防高级研究 划周与卡讨基梅降夫一抖？家机器人：稷协会利波音公词签订了制造和测试无人地战车（）样节禽嗣，这是一种在所仃地形条什、翔锕够常：们：酌无人地晰战童：。该柯荇疆地形：酃县商较姆北业人学硕：学位论文第一章绪论商的机动力，能快速部署，完成侦察、警戒、目标突击、追击乃至解救人质、街巷战斗、反恐作战、反装甲作战等多种作战任务“。美军近年来搜穗一静由潲坦克改装嚣残无久驾驶糖餐车。车上装有摄像章晁鞫计算蕊控涮系统，车俸蓠方装蠢工蕻滚轮式莽雷装嚣，可在逶入雷区爵舔发地霄就地销毁。扫荫车的工作可由控制中心从公里外遥控，也可由驾驶员将车开到雷区附近，然后离开扫雷车进行遥控操作”。除美国之外，俄罗斯、英、德、法等国也研制了多种智能化微型车辆。这黢智能车辆都为披的旌裂提镆了有力保薅。我国也在这一镁域避行了缀多磷究，下霾藏示藏跫广系警方懿一个褥耱餐黉设备一徽羹褥辩橇器入。圉】徽鍪拆撵视器天小车面对的环境及对小车结构的要求徽鍪磐裁车瓣橇城结捣是车上仪旗设蛰夔一令搭羧平台。崮予挠霉亍殛务豹要求，凌平台须髓逐应各种复杂的缝联环境，如深坑、坡道、台除等。在各耱鼹面情况下，它必须囱如地实现前进、后退、自由转向、曲线前进、跨越障碍、舰避障碍等功能，才能保证任务的完成。从这个意义上讲，小车结构设计的成败赢接关系到执行任务的成败。国环境条侮瑟劣，这转智能小攀必绥瀵是缓多要求：小苹应具有较强豹跨越障碍和回避陵磷瓣能力，其行驶枫秘应其备缀好的稳定性。为透应恶劣环境，这利叫、的越障能力必须强。，外，在无法翻越的障础“阿，小年必须自觉躲磁障碍，所以它的转向应浚灵活。同时，其转向稳定性也璎好。，、的机械结构应体现体积小、质嫩轻、结构简椰低助的特点“”，龋北业大学硕士学位论文第一章绪论同等条件下，外形尺寸大的机器人小车的通过能力总是比小外形车的越障能力好褥多。车轮直径大，电机功率强劲，大母车可以轻而易举地越过那些小号车无法邋过豹漳碍。毽是擎豹足寸越大，它掰篱要鹣驱动邀规魄羧越大，溃耗静能鬃魄就越多，祝棱绪掬魄就越复杂。在臻梭设计中，必矮蔽撵实琢要求遂嚣投簿，既要有很好的越障能力，又要符合上述“小、轻、简、低”的要求。小车的重力分布要均匀，轮宽瑟考虑土壤沉嵌问题。小车要通过的区域肖硬地，也有软士，它的重力必须分布均匀，否则就会出现局部偏重问题，造成率舱沉嵌，甚至缮掏坡皴坯。车轮变竟，霹以提高车轮兹沉嵌特性，但是过宽，又会造成小车转弯嚣滚。这也是一令要综合考虑的闫蓬。为保证车体平稳，减轻车体仪器的振动，行驶机构成脊减振作用。本论文研究的主要内容本论文撬毒了一静掰的餐髓徽羹小车结梅，荠季其运动学和动力学倭能逡行了分析。这一翠辆行驶机构为轮式结构，采用主副连秆机构和分体式车身以提高车辆在复杂路况下的适应能力，同时配备多轮自主驱动控制，能实现前进、后退、无半径转向、跨越障碍、规避障礴等功能。（）徽墼餐熊警辆静绩稳设计。内容包括枣车主要结构形式，形尺寸豹确定。在兹基稿上，瓣，、车酶越障逑程逡行了壹溪分轿。（小车准静态力学性能分析。研究车轮与地面的接触关系问题，分析小车在越过一定障碍时的受力关系，由此求出小车所受的地面接触力，从而了解其备部件的受力状况以殿所需的驱动力矩。（）小车豹运渤学性能分蓼亍。掇掇小车是菲完整约束溺环系统魏特点，袋用谴姿楚阵交换法，突戏歪、遂运蘸学建模，竣瑟可以分援小车车俸在一定车轮转速下的速度及位姿，获得车体处于一定速度及位姿时车轮所需的速度。（）小车的转向特性仿真分析。鼹顺利规避障碍，小车必须具备自主灵活的转向性能，因此，小车的转向性能是薮地面适应能力的一个关键方面。该部分主簧裁小车转向系统的稳态和瞬态稠应特性进行了分析，讨沧如何使小车既转向灵活又绻秘麓蕈，以及小车瓣车舔缝搀参数精葵转囱缝麓麓影响。断北，火学硕士学位论文第二章微型智能车的结构设计第二章微型智能车的结构设计要开发在恶劣环境中工作的微型智能车辆，首先就联研究其机械结构。派如前一章所述，微溅智能车辆的机械结构是车上仪器设备的个搭载平台，是构成智能小车机体的慕础，其功能和适威性的好坏直接关系到小车的使用寿命和毙戏任务戆薅嚣。嚣藏，壤壤缝稳竣诗燕小车开发过程筑一今嚣零重要懿强节。小车的结构分析。行驶规构到匿前为止，地面运动机器人的行驶机构主要分为髓式、履带式和轮式三种类型。这三种行驶机构各有其优缺点。腿式移动系统谯其机动和能效方灏优于轮式机构，因腿式移动系统的落足点是几个离散的位擞点，所以它可以越过更高的障碍，穿过避崎岖的地形，炎肖较强熬越漳藐力。舞努，腿式蓼动系统够垂主疆簌，可缳谖传感器亵稀学设餐澄平滑预定靛鞔迹运动）但腿式移溯系统的结构和控制系统复杂，想依靠人工制作出与现实世界中的腿具有相同自幽度数目的机械腿怒相当困难的。同时腿式结构行走速度较慢，能量损耗也很大。履带式移动系统具有良好的越障性能，较强的适应髅粒使用寿命，适合农媾篷楚建瑟行装，蒺逶应莛垂广，运礁效率蠢“。其主攥姣点是摩擦擐失翻转淘时的蘸量损耗缎大，履带容易被磨损。另外，这种结梅簌运动时的枫动憔麓穰麓，无法实现无半径转向，这就不便于小车的灵活避障。前苏联在研究月球探测车时曾考虑采用履带式移动系统的方案，但经实验证明，月球的土壤颗粒似磨硼，履带很快就会被磨损，甚至磨断。另外，运动分析及控制墩十分困难。因此，敲终不磐不放弃选撂矮带式移动系统。由于轮式梳丰驽在捆对平毽的地形中其青提当静傥势，阁腿式机构葙眈，其行驶速度快，平稳，控制也较简单敞犬多数的研究青都倾向于将行驶机构设计为轮式结构。美困的“阿波罗”、 号，前苏联的“月球”、号探测器探月过程寸所使用的月球探测笨移动暮统均为轮式机构，司围丌发研制荫北：业大学硕十学位论文第二章微型智能车的结构设计的一系列火星探测车如、系列，登上火星的“索杰纳”等火星探测车也均采用轮式机构。到目前为止，各国的探测机器人，从一般的探测平台到行星漫游车，大都采用轮式结构。图履带式机器人（左）和腿式机器人（右）按照车轮数量来分，轮式行驶机构又可分为四轮、五轮、六轮和八轮结构。这四种结构各有其优缺点。美国的“”，日本的 ，都是四轮小车。四轮机构的小车优点在于车轮数少，结构相对简单，便于控制，但其缺点是车体的抗振动性能较差，抗倾覆能力也差，同时承载能力有限，载荷容易分布不均，出现偏重现象。另外，若采用四轮结构，一般都需要设置弹簧和阻尼器等隔振设旌，无形中增加了结构的复杂程度，同时也降低了车辆结构的可靠性，缩小了小车的使用范围。从目前公开的资料来看，五轮车的研究较少，仅有本宇航科学研究所（， ）研究的一“和上海交大研究的五轮铰接式小车。一小车是一种左右车身分体式结构，行走机构名为结构。在传统的四轮结构基础上，它在左右车身之间增加了一个连杆和一个车轮，柬帮助其余四个车轮越障。所以，这科结构越障能力较强“。八轮车的优点是驱动力强，承载能力较强，载荷分布也较平均，有利于车体稳定。但其结构复杂，质量增加，越障能力和转向功能则明显小如四轮和六轮结构冈此，在圜内外公开的资判中，这种结构并没有得到则真的应用，仅仅停留陀试验阶段。比较而言，六轮小车结构简单，便】现挣制，质疑！王轻，越障能力虽不西工业大学硕士学僦论文蝴， ，第二章微型智能车的结构设计目目如四轮机构，但其窜体平稳性则明显优越。对于车上装脊仪器设备的车辆丽宙，无疑是一种较好的选择。因此，很多潮家，包括美国、俄罗斯、日本、韩国簿，郝奁磅究六轮绻褥。茏其是美嚣，多年来一壹在磷宠六轮结构。在疆次火星探溅孛，箕夺翠哆嘉采瘸六轮络稳。图四轮率（左上）、五轮车（有上）、六轮车（左下）和八轮车（右下）到目前为止，六轮车按行驶系统的结构大致可分为以下几种形式：。分节式”车俸分为三节，各节之闻蠲活麓铰连接。这耱车运渤羡活，僵结鞫复杂；另外，车体过于零散，无法构筑一个大的平台，不利于放鬣各种仪器设备。四连杆一前后轮式“四连杆一前簸轮式的爬坡能力很强，尤其是翻越台阶式障碍时。但结构复杂，列时车体羹心缀嵩，易造或车体曩覆：另外，当车辆懿左右两撼遇到不嗣麓度鲶障碍时，：攀髂的翻垂要角校大。灞浚有车轮，邀不穰予，、车雾越障褥。摇臀一转向架式”。摇臀一转向架：驶系统是一个较艘恕的行驶机构，通：低述 二驶。车体缚侧箍有一个摇臀一转向架机构，连接兰个轮予。摇臀两端琏接厉轮和转向架，转囱絮硬端装莳轮静卧丘全。这科掏鸯襁好躬柔挂，憩乱体稳，抗傍！羧性；蔓摊，麓疆西北一业大学硕士学位论文第二章微型智能车的结构设计好，可以为车载仪器提供一个稳定的平台。不过，它也存在一定的缺点，就是越障能力不如四轮机构。在综合考虑上述各种结构的基础上，笔者设计了一种新型六轮结构。这种结构既有很好的越障能力，又使车体比较平稳，可以满足微型智能车的使用要求。图分协戈（左上）、口毗杆一前后轮式（右上）、摇臂一转向架式（下）六轮车群构驱动机构驱动元件在机器人中的作用相当于人体的肌肉。为了完成顶定的动作，小车必须具备前进驱动装置和转向驱动装置，这是结构设计中的一个很重要的方面。在所有的驱动元件中，电机是最常用的机器人驱动器。对电机实现准确控制，力能使小车实现精确运动。目前，电机驱动装簧主要有以下两种佰置方式：；。集中驱动方式。即把驱动电机布嚣在车体，弭通过传动拨置，把动力输剑每个车轮使车轮运动。电动汽车便是其，例。但划微！鬯车辆来浇，斤不适台。其，一身很小，无法布置如许多的传动帆构。其，：便于进行运纠的诵拓！带，址自山转向。扯，由萌北：业大学硕士学位论文第二章微型智能车的结构设计。集中控分散驱动方式。睁在每个驱动车轮上都设疑电极，驱动车轮运动或转向。电机的运动控制系统集中于中央控制元件，此元件布置在车体上。这种结构形式简单，便予实现，有利于运动机构性能的发挥（）目前，各国的空间操测车均采用这种结构。本方案采用集中控制一分散驱动方式。车轮和前进驱动电视做成一体式结构，即为电动轮。在车轮和连杆连接处，装设转向电机，驱动车轮转向。）前进驱动电机：每个车轮土装有一个轮毂电机，共六个。用于控制车轮的速度和转矩，从而驱动探测车前进、后退或黼越障碍。均采用无副直流电桃，附设减速器。无刷直流电机具有使用寿命长，运行噪音低和效率更高等优点。驱动采用星型三相六状态工作方式。利用位置传感器反馈电机的位置信号，进行电捉的速度控制。）转向驱动电机：每个车轮上都装有一个转向电机，分别控制六个车轮的转向，实现整车的转向功能。转向电机都采用反应式步进电机，通过外部的脉冲信号，弼以精确控制电机转动的角度，从而控制车轮的旋转。步进电机搦有保持转矩、速度和位置控制精确等优点。为防止小车在遥到障碍物时由于扭矩不够面无法实现转向，还需要设一个减速器，以达到减速增扭的作用。驱动电机的实时控制措埯有效，才可使探测车实现前进、后退、转向、越障等功熊。因此，魂搬豹控潮菲常重要。下箍楚冀控制原理图。图小车电机的控制原理图共负第碰：北工业大学硕士学位论文第二章微型智能车的结构波计车轮（）车轮戆壹径和宽痘车轮的直径对小车的速度和越降熊力都有很大的影响。使用同样的电机，车轮直径增加，小车的速度会同时增加，二者之间是一种线性关系。另外，按照车辆理论的分析，车轮的直径增大可以明显提高小车的越障能力。但是，筚轮直径交大豹同对，车轮表瑶所受的电机转矩却会下降。擐摇车辆缝溪力学理论，裁蛙窜轮熬宠度越竟，车耱豹主壤滚錾量越夸，土壤的压实阻力墩就越小”。不过，车轮交宽后，小车的转向阻力也会变大。另外，增加车轮的随径比增加车轮宽度对减小压实阻力鬣为有效。因此，必须根据实际情况设定车轮直径和宽度，不能盲目加大车轮赢饺和宽度。本文考虑到车辆的整体羚形尺寸，把直径选为，车轮宽度取为。（车轮刚度一般地讲，漪摩擦表面使用低摩擦性能的车轮，低摩擦表面使用高庠擦性能的车轮。对予光滑路面，一般使用掰度大的或充气很照的轮胎：在崎岖不平路面上，大多采用弹性较大的轮胎）参考罄内终懿露关资辩，嗣类键髓小车缀多都采用剿蛙大熬车轮。考攥弱套车霹躯要经掰冻土层，或者蠢石袭黉，奉文中选择众瓣车轮，这稃可酸避免由弹性车轮产生的一些不可靠因素，如磨损快易老化，特性不稳定等，提离了整个系统的运行可靠性。在下面的研究中，本文用刚性苹轮作为分析模型，即将车轮在与地面接触时的变形忽略不计。为了提高车轮的附着性能，避免车轮打滑，车轮表覆上可以考虑增秘一些花纹或强起。当然，车轮袭蕊形状的优劣，必须经过试验考女确定。本文所研究小车的结构选拟。采蠲分体式车身。是右车体的连缓澎式秀圆柱到涟接，它们可以绕蔫逡绥辘穗互转动。遮榉可敬壤勰，、车兹魏国度，搀裹它霹不瓣爱杂爨瑟静适应麓力。车辆上共有六个车轮，每侧三个，其中前轮和届轮与主连杆连接，主逐杆固定在车体上，中轮连接在副连杆：，副连杆与主连杆的连接为铰接。这种结构可以提高车辆的越障能力。六个车轮部是驱动轮，同时也是转向轮，这样可以西北：【：业大学硕士学位论文第二章微型智能车的结构设计使车辆灵活地自由转向，有利于避障性能的提高。见图。这样，它比六轮车中四轮转向结构的性能明显优越，这一点将在第五章中详细讨论。采用驱动电机和车轮一体化结构，即电动轮结构。同时在每个车轮与连杆连接处装有步进电机，用于实现转向。在车体上设有中央控制单元，实现电机的运行控制。这样六个车轮在结构上集驱动、减速、传动和位置监测于一身，减少了传动环节和车体重量，提高了系统的效率和可靠性。控制模式考虑采用自主导航和远距离控制相结合的模式。车上设有传感和视觉系统、导航系统、控制系统，小车本身具有一定自主导航能力，可以实现自动避障。同时视觉系统可以把视觉内容通过无线设备传递给遥控系统，实现遥控功能。小车自带蓄电池等能源设备，可以在一定时间段内实现能源的自动供给，保证小车在失去外部电源的情况下能自动返回出发地。车辆的外形尺寸为。车轮直径为巾，宽度为。幽微型智能车的整体结构图西北工业大学硕士学位论文第二章微型智能车鲍结构设计小车结构的功能分析一种机械机构能否满足使用要求，首先必须进行必要的结构功能分析。前文中所确定的小车结构，其功能如何，结构都有那些优缺点，必须加以探讨。小车实际工作时，上台阶和爬斜坡是两种比较常见的、同时也是便于衡量小车通过性能的工况。下文就针对这两种工况，利用软件对小车的越障能力进行一些直观的分析。小车的结构参数如前所述，台阶高度取为，斜坡的角度为。，斜坡高度取为。上台阶过程小车上台阶具体过程如下：）小车在水平地面上行驶；）前轮碰到台阶，中轮向前运动，前轮抬起；）前轮在中轮的支持下登上台阶：）小车前轮登上台阶；）小车中轮触碰台阶，中轮抬起：）中轮在前轮和后轮的综合作用下爬上台阶；）后轮碰到台阶，后轮抬起；）后轮在前轮和中轮的拉动下，爬上台阶，爬台阶过程结束。）西北工业大学硕士学位论文爨第二章微型智能车的结构设计曩罴图小车上台阶过程爬斜坡过程小车爬斜坡全过程描述如下：）小车在坡道前的平路上行驶；）小车前轮开始接触坡道；）小车中轮爬上坡道；）小车后轮爬上坡道：）小车前轮登上坡道末端的平路；）小车中轮登上平路；）小车后轮登上平路，小车的爬坡过程结束。；？基曩矗置尹。、黪）蘩睁：豢鏊滋麟共硪第负曲西北工业大学硕士学位论文第二章微型智能车的结构设计）图小车爬斜坡过程结果分析上述分析过程表明，在一定条件下，这辆小车可以爬越的台阶（小车车轮半径为），可以登上斜度达。的斜坡，越障能力较好。在这两个过程中，仁轮起了非常重要的作用。前轮在它的支撑下得以抬起，顺利爬上台阶；后轮在前轮和中轮的联合拖动下，登上台阶也变得很简单。与四轮车相比，小车的上台阶能力得到大大加强，这是此结构的优点之一。另外，中轮还有一定的减振作用。这样，小车的抗振性要比四轮车好很多，这也是此结构的一个优点。当然，前面的分析仅仅是一种直观的、定性的分析，小车的运动性能究竟如何，必须进行理论和试验研究。通过这些过程，取得计算结果和试验数据，才能确定小车性能的优劣，进而优化小车的结构。本章小结本章主要讨论微型智能车的结构问题。在对多个行驶机构进行了比较之后，设计了一种新的六轮运动车辆系统。然后确定了小车的主要结构和尺寸，并根捷：需求进行了功能分析，为进步的研究打下了基础。西北工业火学硕士学位论文第三章第三章微型智能车的准静态分析微型智能车的准静态分析引言在小车的结构设计中，最关键的是选择一种具有庭好地面适应能力的行走系统。在小车大致结构形式确定后，如何确定行走机构的结构参数，以取得较为优秀的越障和离障性能，非常重要。为了获得结构合理、性能良好的小车行走系统结构，必须对该系统进行准静态分析（ ）。如果过程进行中的每一个中间态都处于平衡态，那么，这种物理过程就被称为准静态过程。显然，准静态过程是一种理想化的过程）。在小车的准静态分析过程中，惯性力和小车此时的速度均不被考虑，牵引力的值为轮胎接近运动的最大摩擦力值）。根据国外的研究成果，外形尺寸相近的、车在低速运动（小车速度小于）情况下，动态影响可以忽略不计，准静态分析的结果是可以满足要求的”“。准静态分析可以针对小车所需计算的姿势来进行。利用准静态分析，我们可以确定小车的车轮是否会滑移或滑转，是否有倾覆的危险；可以了解总的能量损耗值，由此来选择合适的能源设备。我们还可以知道驱动电机的功率是否接近额定功率，根据结果来判断所选择的驱动电机能否满足要求。准静态分析的结果，既可以用来对行走机构进行优化设计，还可以给控制器的设计及优化提供有价值的数据。假设条件为研究方便，同时又不失一般性，作如下假定：（）小乍各部件均为刚体，相互之问的连接视为刚性连接，没有弹性变形：（）驱动电机以同定的传动比将输入力矩施加在车轮上；（）每个哼：轮均为刚性，与地面接触时车轮没有变形，存轮地接触处没有大的位移。这 下以避免的分析方程过分复杂，导致无法求解：（）车轮 地面蚓的滑动摩擦系数和滚动摩擦系数球小，。以，“：二涮移和滚动；“鸽“西：【：业大学硕士学位论文第三章微型智能车的准静态分析（）车辆的行驶速度慢，这样，轮地接触点处的横向力就相对较小，不存在惯性力，也没有空气动力的作用。车轮与地面接触力学的分析在工作过程中，探测车所要经过的路面是非常复杂多样的，包括沙地、软土、冰层、岩石等各种地质形态。不过，讨论地形环境建摸的问题不是本文的重点。因此，在进行静力学分析和动力学建模中，本文假设地表环境为已知，接触地面均为软地面，这样更具有一般性，有普遍意义。考虑车轮与路面之间的相互关系，根据接触面双方的材料性能，可分为四种情况”“：）刚一刚接触，性车轮在刚性路面上行驶；）刚一弹接触，即刚性车轮在富有弹性或塑性的路面上行驶；）弹一刚接触，即弹性车轮在刚性路面上行驶；）弹一弹接触，即弹性车轮在富有弹性或塑性的性路面上行驶。第一种接触模型是一种理想化的状态，仅在粗略考虑轮地接触关系的情况下可以使用，而在分析中没有任何实际意义。第三种接触模型的最典型例子，就是汽车充气轮胎在水泥路面上行驶的状况；小车的行驶路面大多是土路，有时甚至有泥层，显然与这种情况不符。第四种模型，具有一般性，符合现实状态，但研究起来比较复杂。在参阅国内外的各种资料后，笔者发现，很多小车均采用金属刚性车轮。因此，在小车的结构设计中，车轮设计为全金属轮。为增加附着力，车轮表面加有花纹或凸起。在这种状况下，本文简化模型，把车轮设为刚性，地面取为弹性，即采用第二种情况进行分析。考虑刚性车轮在松软土壤上的运动。汜为车轮侧滑角，为车轮角速度，。为车轮速度，为车轮半径。分别定义纵向滑移率为和侧向滑移率为。”（肼）“罂篇 嚣 口 （ 一，。口。 胁 一（ （ 根据的理沦，。拨触域，壶力和剪应力一叮表达为式”“ 一 ！坐些查学硕士学位论文 第三章微型智能车的准静态分析！）一女），）（）（一 。（）（）其中，表示车轮沉陷量，、是用贝氏仪测定的土壤沉陷参数，是车轮的宽度，是剪切变形距离，中是摩擦角，是剪切变形参数，是土壤凝结力系数。如图。图刚性车轮（驱动轮）在可变形路面上行驶示意图对于轮地接触区域，正应力可以表示为”：）（”（）叫咖心“扣秒，啪一昙岛吨一。“，表示最大正应力所在的位置对应的角度，它是的函数，以（），和是接触系数。剪应力也可以表示为：）母）（一一一）（）。（）（ ）因此，车轮受到的横向力、垂向力、转矩可以通过下，”：曩）一（）僦），卜）。（）。邶拇僦）、卜，赁删脚。（）对上述模疆以进行简化旃化后的应力方程表达式为：￥目自自自！一（：业大学硕士学位论文删一器蚓卅啊咖嚣：孚，：导。第三章微拟智能车的准静态分析（）（）（一）（一）另外，若假设最大剪应力和最大正成力发生在同一点上，则最大剪应力可表示为：。萨）一嵇呻。，（一）。）另外，图所强示的产生，主要是由于在接触磷艏部压力降低后弓熬轮胎胎壁的弹性网跳。对于刚性车轮，出于基本没有胎壁的弹性回跳，故接触谳后部的角度。通常很小，可以忽略。”。根据文献一二述简化可以使运算变得简单，同对精确度影响非常小，炭右“”。车轮戆横彝力、垂涵力、转怒蕈可淤麓纯为下式：班毫）（）嚣）融），（：（）。）；。）。），哎口）“（）。）心）（一）如采鲡遂鞠，髓在运魂中已鲡，遂遗式（），（。），（），即可求得转矩和横向力。反之，己知力矩和垂向力，则可通过式（），（）求得和，再利用（），也可得到。上述方程虽经过简化，但仍然非常笈杂，使实际求解仍很困难。因此，在下嚣懿分辑过程中，本文采翊了一穆近似求髅壤应