2017年备赛-底盘车辆设计

ThechassisdesignofautonomousAutonomousrobotisakindofindustrialpowerfulaide.Theproblemcomesfromthe15thNationalStudentsrobotcontesttodesignaflexible,reliableandcomprehensiveautonomousrobot,thisarticlefocusesontherobotchassisdesign.Themaincontentofthisarticleisthewholeprocessofmakingautonomousrobotchassis,includingtherulesofthegametoperuse,therobotchassisproposespecificrequirements;ysisandselectionmechanismchassis;chassisstructurecalculationanddesignandproducedafterexperiment.ysisandselectionmechanismcomprisesachassisform,thematerialoftheframe,wheelselection,transmissionmodeselectionandmotorselectionandotheraspectsofthis,everyaspectwilllistavarietyofprogramsarecompared,therebyobtainingamoresatisfactorysolution.Calculationanddesignchassisstructureincludesamountingchassissizecheck,drivemotor,driveshaftdesignstructuredesign,suspensionandcodewheel.Variouspartsofthestressysis,materialselection,design,andsizeoptimizationdesignANSYSWORKBENCH,andcheckingandmodalysisbasedonlast.Experimentsincludingexperimentsandcodewheelsuspensiontest,suspensiontestisthebestchoicesinglesuspensionanddoublesuspension,Orthogonalcodediscspringisthebestchoicetestparameters.Chassismotionalgorithmsincludethechassisdrivingalgorithmsandthechassispositioningalgorithm.Keyword:AutonomousRobot;MechanismDesign;PROE3Dmodeling;ANSYSWORKBENCHsimulation；thechassisdrivingalgorithms 第一 绪 移动机器人概 比赛规则简 本课题研究内 第二章底盘机构的分析与选 底盘形 传动形式的选 驱动电机的选 底盘框架材料选 本章小 第三章底盘结构的计算与设 底盘尺 驱动电机的安 驱动轴的设 整体方案比 第四章底盘悬 悬架的使用概 悬架的设 悬架的模态分 悬架的实 第五章正交码盘的结构设 编的使用概 主要使用编的类型及主要工作原 正交正交码盘的组 正交码盘的安装形 正交正交码盘实 第六章底盘驱动算法与全场定位算 底盘驱动算 全场定位算 全场定位算法验证实 第七章总结与展 参考文 致 第一章移动机器人移动机器人的它的任务是协助或取代人类工作的工作例如生产业建筑业或是的工作。用在工业、农业、空间等领域[2]。移动机器人的发展状特征、空气成分等等探测，并采取样本及分析数据并传回地球。能够完成这的无人探测机器人。例如前研制的无人探测机器人Lunokhold1,如图1-1所19701110日登入月球表面，成为第一台登入外星球的无人探测机1-1Lunokhold1的研究，开展了移动机器人更次的研究。同时，也出现了许多国际性的机器赛，例如robocup、robocon等赛事，也促进了移动机器人的研究发展比赛规则简且易于使用的。过去，我们误认为化石能源储量无限而过度消耗了它们。这种A（即后面的自主移动机器人）BB中没有用于行驶的作动器。它从机器人A那里接受行驶能量，只能使用一个转向作动器控制它的方向，以包含斜坡和山岗、河流和山道上的路径。机器人A除了向机器人BB1-21-31-21-3分析比赛规则对自主移动机器人底盘的设计要1,000mm宽、长和高。所以底盘的尺寸过1,000mm宽、长和高。110mm的圆柱体。的尺寸是长为160mm，宽为50mm，并且规格要求自主移动机器人在行走的过程的白线中心离的距离为500mm，再根据颜色传感器—灯板的性能需要，自触到比赛。本课题研究内第二章盘方案的分析与确底盘形（1）2-1式（2）的选型与四轮底盘方角Y不同进行分类,最常见的是0度夹角与45度夹角在本文所介绍的机器人模型中,0度夹角瑞典轮;三全向轮机器人模型中涉及到0度夹角瑞典轮,即全向轮。相比普通车轮，改多了一个图2-1全向 图2-2麦克纳姆装形式也就不同。全向轮需要倾斜45°来安装，麦克纳姆轮就不需要。如图所

2-3但给予操作员一个舒适的操作环境而且行动迅速灵活了比赛时间。但由于麦克纳姆轮与地面接触面积更大，其承载能力更强，以及有现传动形式的选表2-2传动驱动电机的选在比赛中自主移动机器人的总重量不得超过40kg，且整个比赛场地为一平面，所以在动力学分析中，假设自主移动机器人机器人的总重量为40kg。在四轮底盘中，假设四个中承受的最大重量为12kg，这是由于实际中由于四轮底Mf大小为Mf

（2-其中，FN为车轮对支撑面的正压力，2.1是常用材料2-3铸铁-木-轮胎-2-根据比赛场地、及比赛所用麦克纳姆轮，查表2-3，可以假设比赛场地和比赛所用之间的滚动摩阻系数大约为5mm。M驱动M

FN51210mNm

(2- M

m2

（2-M驱动为驱动力矩，Mf为滚动摩阻力偶，m12kgr2r75mmcr2 上，故c应大于理论值，

c

，

a

M

M

1mr2

（2-2-4

0.6Nm2-4a（m/s2M12

M驱动

（2-M驱动Mn其中，n 比，为传动效率，一般为80%~95%

（2-2.5m/s。2.5m/s，驱动轮直径为150mm，所以转速应为：n

故电机转速 后应该大于n318r/min

PMn1000

(2-46.1w。2-3倍114.8w~172.2w范围内。电机型号：maxon 额定电压： 堵转扭矩：140Kg.cm（14Nm）连续扭矩：28Kg.cm（2.8Nm） 箱直径 比： 出轴直径：12mm（带键槽和键） 底盘框架材料2-5X材20*20*1.2mm的铝方管作为底盘的材料。本章小选用RE40，传动方式优先选择轴套轴传动，联轴器传动。下图为底盘简图。2-4第三章盘结构的计算与设底盘尺由于两台机器人的总重量不得大于40kg160mm50mm，自主移动机110mm50mm3-1驱动电机的（1）的安装方悬臂梁式的安装，如图3.3，车轮轴受力平衡，运行更加稳定，由于轴支座图3-2悬臂梁式的安 图3-3简支梁式的安驱动轴的设45钢，调质处理。轴的3.4驱动轮如图3-5所

3-4图图3-5图和扭矩图（3-6

3-63-1中：3-1则有：轴在输入端的圆周力

F

21.7251000

(3-AnsysWorkbenchAnsysWorkbench[8]，可以计算出改零件最大变形量，也可以知道3-73-81.62541整体方案比图3-9方案 图3-10方案第四章盘悬悬架的使用概个是很难共平面的，再加上制作的比赛场地很难达到一个很高的平整度，所以，没有悬架的四轮底盘中，出现打滑现象是必然的，特别在全场地位中，悬架的设14-11.5mm18mm24-2经过尺寸核算，选择模型车按比例1:10缩小的铝合金避震器，该避震器减90mm。3、悬架 悬架轮的整体装配效果

图4-3悬架驱动轮悬架的模态分

4-4有频率一致将会发生，从而引起破坏[10]。4-5(5-20HZ)范围内，可以认为有效的避开区悬架的实加实验的数据增加实验的可靠性衡量参数是通过编来测量底盘的方向的行走误差。4-6 X方向偏差折线 Y方向偏差折线1247mm时，X,Y47mm。编的使用概

第五章交码盘的结构设主要使用编的类型及主要工作原在使用安装编的过程中在机械方面应注意的问量机器人坐标系中的X、Y方向的数据，因此两编需要垂直安装，以及整个模块需要有竖直方向的自由度以防止编空转，从而导致编计数不精确应保证编轴与用户输出轴的不同轴度＜0.20mm，与轴线的偏角长期使用时，定期检查固定编的螺钉是否松动正交码盘的组5-1从动轮：带动编计数；编：计数作用；正交码盘的安装形 图5-2独立 图5-3整体缺点：零件，结构相对复杂。正交码盘实

5-4因打滑而影响编的计数精度。15N1N/mm左右。10mm15mm20mm8其中参数包括X、Y为机器实际的X、Y坐标的值，∆X，∆Y为编理论5-511.0（K=0.87N/mm）10MM、15MM、20MM-5-621.1（K=1.25N/mm）10MM、15MM、20MM-5-731.2（K=1.25N/mm）10MM、15MM、20MM-1、从不同的弹性系数的弹簧的数据中3线径1.2mm（K=1.25N/mm）15mm的，编的数据更准些，效果相对较好因此，通过该实验，便确定了正交正交码盘的弹簧的参数，线径（K=1.25N/mm第六章底盘驱动算法与全场定位算底盘驱动算v1,,v41所示；1,,4vxvy,z：机器人参考点（底盘中心） 麦克纳姆轮四轮机器人速度模 前右轮转速计算模1213v1vxvykav2vxvykazv3vxvykazv4vxvykaz1

(l1l2)

（6-（6-（6-（6-

11

l)vx 2

R

2 l) y

4

(l1l

（6-全场定位算61 (l1l2) 111

l)vx 2

R

2 l) y

4

(l1l

（6- v

1 x

R v

y

4 zz

l

l

参数说

2 （6-在固定的时间段t里面，传感器已知数据参数：编1记录的脉冲数：n1；编 2记录的脉冲数：n2；陀螺仪返回的角速度值：；xy，。这三个参数是定义于地面坐

6-3地面坐标系xoyxoy'3：机器人的位姿机器人坐标系下的各参数（6-4机器人的速度(vxvy,) 1同轴连接的小全向轮的切向速度v1与编 2同轴连接的小全向轮的切向速度v2。 位置参数 1中心位置(x1,y1) 2中心位置(x2,y2)6-4机器人平面运动学（由V1，V2，w得到程度上将它的脉冲n1（n2）数乘上某一标定参数k，即可换算成编轮的线速V1V2V1（V2）=k*n1（n2vxv1vv

x2

(6-恒定驱动参数Vx，Vy，w下，机器人走圆弧轨需要明确:此种情况下参量vxvyv1v2,均为常量机器人当前位姿参数(x0,y0,0)，任一时刻位姿参数x(t),y(t),机器人的位姿参数(t可由陀螺仪数据直接积分得到，即(t)wt首先将Vx，Vy向地面坐标系的两轴分别投影，投影vxd(t)vxcos(t)vysin(t)vxcos(wt0)vysin(wt0vyd(t)vxsin(t)vycos(t)vxsin(wt0)vysin(wt0其次，对t

（6-x(t)vxsin(wt

)vycos(wt

)y(t)vxcos(wt

)vysin(wt

)

（6-x(0x0y(0y0，得到k1

vxsin

vy k2

vx

vysin

（6-消去时间参数t，得到机器人轨迹方程12(xk)2(y12

)2vx ) )

(vyw

（6-结论：以恒定的参数vxvy,驱动机器人，机器人会循着圆心(k1,k2)，半满足r2vx)2vy)2的圆弧行走。假设机器人驱动参数保持恒定的时间为t v2v 则圆弧轨迹对应中心角 v2v r6-5所以，对于三个定位参数(x,y,)现在只需利用上述结论以及相关的已知条件，更新(x,y的值，完成定位。机器人位置更新:

(x0,y0,0)(vxvyw)得到(x,y—圆弧算t恒定的驱动参数vx,vy,的机器人运动。故每一小段时间内，机器人均做圆弧运（各t(xy人从当前(x0,y0,0)状态下绕地面坐标系原点O旋转角度：质点绕原点O

0 0

（6- 设起始坐标矩阵u[xy,1]Tt时间后坐标矩阵vxy,1]T 0x0 vysin

0y0

（6-式（6-14）即为绕地面坐标系原点O旋转角度，质点的坐标更新。A(k1k2旋转，下面我们利用两个平移操作得出质点B1绕任一点A(k1,k2)旋转的坐标更新6-6点坐标将图中AB1

A(k1,k2

k12Trans(A k，B1B22 1

B2点绕O旋转至C2点，旋转矩阵Rot(O,)

将图中AB2C2点平移，相当于1的逆动作，平移矩阵 2TransA k，C2C12 1则可得到质点坐标更新xc1

xB1 vc1yc2Trans(A)Rot(O,)Trans(