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智能 越障 小车 设计

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摘要越障小车作为智能化设备的一个分支，不但在深空探测、军事侦察、抢险救灾等领域广泛应用，而且在农业、林业、采矿、医疗方面扮演着重要的角色。例如，当突发性的自然灾难（山体滑塌、地震等）、高楼大厦火灾、煤矿瓦斯爆炸等事故发生，越障小车就能代替人力去完成搜采信息或寻救幸存者等任务；在深空探测方面，越障小车可以克服恶劣的外太空环境继续对星际不断深入探索。越障小车正吸引着许多研究学者，成为了智能化领域一个富有活力的研究方向。本文针对当前移动小车的发展方向，提出了基于智能移动小车的越障系统。通过深入了解路面越障小车的发展状况，并结合路面路障采集识别的工作要求，设计出了一种运动灵活，路面适应性强，并且可以进行路障检测识别的越障小车。论文的主要研究内容包括以下几个部分：（1）首先进行越障小车的模型设计，对两种研究方案进行分析思考，最终确定的方案采用双履带行走方案配合铝合金车体，同时对其他模块进行设计计算及选型；（2）对所设计的越障小车进行运动学和动力学计算，针对各种运动失稳模型进行计算与校核，确定出最合理的力，同时针对安全系数与电机裕度系数确定系统驱动力；针对单元进行单元各参数优化与行走方案设计，分别针对动力学系统和总体系统进行计算；（3）对越障小车控制系统的硬件电路进行介绍，并说明控制系统总体思路以及程序流程图；阐述主芯片的选型与特点，设计了主芯片的引脚分配与外围电路，同时针对其他模块电路的设计及部分器件的选型进行了说明。总结：本文主要以机械模型、运动计算、系统控制三大部分对智能越障小车进行设计。关键词:智能越障小车 轻量化 履带式 控制系统AbstractAs a branch of intelligent equipment, obstacle-crossing car is not only widely used in deep space exploration, military reconnaissance, rescue and disaster relief, but also plays an important role in agriculture, forestry, mining and medical treatment. For example, when sudden natural disasters (landslides, earthquakes, etc.), high-rise building fires, coal mine gas explosion and other accidents , the obstacle-crossing car can replace manpower to complete the task of searching for information or finding survivors; in deep space detection, the obstacle-crossing car can overcome the harsh outer space environment to continue to explore the interstellar space. The obstacle-crossing car is attracting many researchers and becoming a rich intellectual research project. In this paper, aiming at the current development direction of mobile car, an obstacle-crossing system based on Intelligent walking car is proposed. Based on the deep understanding of the development of road obstacle-crossing car and the requirements of road obstacle image acquisition and recognition, a kind of road obstacle-crossing car with flexible movement and strong adaptability is developed. The main contents of this paper include the following parts:(1) Firstly, the model design of the obstacle-crossing car is carried out, the two research schemes are analyzed and considered. The final scheme is double- track walking scheme with aluminum alloy car body. At the same time, other modules are designed, calculated and selected;(2) Carry out kinematic and dynamic calculation and Simulation for the designed and obstacle-crossing car, calculate and check various motion instability models, determine the most reasonable force, and determine the system driving force for the safety coefficient and motor margin coefficient; carry out parameter optimization and walking scheme design for the unit, and carry out calculation for the dynamic system and the system respectively;(3) This paper introduces the hardware circuit of the control system, and explains the general idea of the control system and the flowing chart of the program.The selection and characteristics of the main chip are described. The pin distribution and peripheral circuit of the main chip are designed.At the same time,the design of other modules and the selection of some devices are explained .Summary:The paper of the intelligent obstacle-crossing car mainly includes mechanical model, motion calculation and system control portions. Key words:Intelligent obstacle-crossing car;lightweight;crawler type;control system目录摘要IAbstractII目录III第1章 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 越障小车国内外研究现状11.3 综述分析11.4 论文组织结构2第2章 越障小车系统设计32.1 引言32.2 设计方案统筹32.3 研究方案的提出与确定32.4 最终方案的具体设计42.4.1 车体单元设计42.4.2 驱动单元设计52.4.3 辅助单元的设计与选型92.5 本章小结11第3章 越障小车运动分析与动力学系统建模123.1 引言123.2 总体方案分析123.2.1 二维平面运动学及动力学分析123.2.2 三维空间运动学及动力学分析133.3 越障小车的空间失稳情况分析153.3.1 越障小车沿路面滑移153.3.2 越障小车的纵向倾覆173.3.3 越障小车的横向倾覆173.3.4 越障小车的侧向倾覆183.4 越障小车的越障性能分析193.4.1 单从动轮越障模型203.4.2 双主动轮同时越障模型213.5 越障小车所需的电机驱动力矩计算233.6 本章小结24第4章 越障小车控制系统254.1 引言254.2 控制系统思路254.3 控制系统硬件264.3.1 主控芯片及其引脚分配274.3.2 外围电路设计284.3.3 其他模块电路设计294.4 本章小结31第5章 工程定额概算325.1 智能越障小车制作过程的成本预算325.2 智能越障小车制作对环境影响及其可持续性335.2.1 智能越障小车对工作环境的影响335.2.2 智能越障小车生产中对三废的处理方法345.2.3 智能越障小车设计理念的可持续性345.3 智能越障小车制作过程管理34第6章 总结与展望366.1 全文总结366.2 研究展望36参考文献1致谢33第1章 绪论1.1 课题研究背景及意义本课题所要研制的智能越障小车，通过将路面行走技术和机器人移动技术结合起来,其目的在于实现在不同倾斜角度路面环境下的移动作业,例如在大型路面的制造、检测、维护作业中代替人工操作、在高楼等大型建筑物进行玻璃幕墙清洗与高空危险作业以及在救灾现场进行信息的采集或对人员的搜查，其对提高生产效率和取代人工完成诸多危险作业等方面具有重大科学研究意义和不可限量的应用前景。1.2 越障小车国内外研究现状随着科学技术的快速发展，国内外浮现出了许多关于越障小车的研究成就：早在20世纪60年代，斯坦福国际研究所就成功研发出一种越障小车（称作Shakey），该车通过和计算机相连完成实时传递信息的功能，该车配有摄像头和传感器装置，并装有人工智能系统与相关控制系统，通过采集外界信息来感应环境的改变，并对环境的变化自动建模，这时控制系统进行运算，规划好小车的行动路径，发出驱动控制信号指导小车行进。而当时由于计算机技术不太成熟、计算机计算速度较慢等缺点，使得小车的部分功能受到了限制。我国虽然对于越障小车的研究较晚，但也取得一些显著的成就：哈尔滨工业大学此前研发出一辆履带式越障小车，该车主要的功能就是搜救与勘探。小车采用两个伺服电机进行驱动，相比一个伺服电机工作它的运动速度有所提高，最高速度可达1m/s。该车通过人为遥控完成前进、转弯、越障等功能，最大遥控范围可达600米；中科院沈阳自动化所曾研究出一款“灵晰B”排爆小车，该车采用履带式复合机械结构，能越过障碍的高度可达0.4米。小车上搭载可移动式摄像头，可以进行视频采集，使工作人员更全面了解事故现场情况。小车上还装有类似机械手的结构，这在拆弹排爆任务中起到了关键作用。“灵晰B”排爆小车不仅用于社会安全领域，还在工业领域有着重要的应用。近年来,研究如何发展新的越障小车新理论、针对各种行业的复杂作业需求,采用先进行走技术,研制自动化越障小车达到代替人工作业已成为机器人领域非常具有活力的研究热点之一。由于本课题主要研究越障小车，故侧重于分析现有越障小车发展状况1。1.3 综述分析以上针对当前国内外越障小车研究状况进行了相应的总结，在现有的越障小车样例进行思考分析，存在如下几个缺点：一、在稳定行走与装卸便捷之间没有达到较好的平衡；二、恶劣工作环境适应能力差，防水防腐蚀及续航等方面存在问题；三、越障小车当前较难达到整体轻量化与低成本。本课题针对当前越障小车的发展瓶颈，考虑在后续方案设计中进行相关优化，确保研制出轻量化、低成本和稳定可靠的智能越障小车，将行走稳定和灵活动作之间的平衡作为一项关键技术。1.4 论文组织结构本文共分为六章，各章的主要内容具体如下：第一章，陈述课题的背景和研究意义，主要综述当前越障小车技术的发展现状，总结分析出缺点，提出课题的主要研究目标。第二章，进行越障小车的系统设计，主要内容有确定越障小车的行走方式和移动方式，包括行走方式、驱动系统的设计，电控系统选型等问题的解决。第三章，进行越障小车整体运动学建模与动力学建模，包括路面运动学、静力学和动力学分析，路面转向灵活性与越障稳定性研究，并进行系统的动力学相关计算。第四章，先介绍了越障小车运动控制系统的硬件，说明了控制系统总体思路以及程序流程图；阐述主芯片的选型与特点，设计了主芯片的引脚分配与外围电路，同时针对其他模块电路的设计进行说明。第五章，进行工程额定概算，对生产智能越障小车的总体费用进行计算，并简要概述生产智能越障小车对环境造成的影响及其可持续性。第六章，进行全文总结与展望，总结课题的研究成果，同时指出有待改进的问题和继续研究的方向。第2章 越障小车系统设计2.1 引言设计开发一台智能越障小车，技术参数如下：（1）小车行驶速度V=0.1m/s；（2）翻越障碍高度H=20cm；（3）车体重量G20kg，方便提走；（4）并具备自动转弯避障功能。2.2 设计方案统筹确定整体设计要求后，课题组初步考虑采用移动小车作为方案主体，同时配合相关单元，提出几种越障小车的研究方案，并且要对行走方案进行鲁棒性验证，同时考虑到实际的工作环境，要把越障小车的智能性作为设计目标进行统筹设计。具体的设计及应用过程需要考虑不同工况条件与不同类型系统的配合使用2-4。2.3 研究方案的提出与确定通过查阅大量资料，以下提出了两种研究方案：越障小车车体单元的确定，首先需要确定对应的行走方式。常见的行走方式有轮式和足式，考虑到足式虽然运动自由度多，但是存在控制困难、难以承受大负载较难搭建等问题，所以方案设计时只考虑轮式方案。轮式又分为车轮式和履带轮式，针对履带轮结构设计了第一种研究方案，通过设计左右挡板配合单侧6轮结构（主动轮、支撑轮和4个从动轮），塑料轮中间开环型槽配合内侧含小凸块的履带，两侧履带轮系统通过上下连接板进行连接固定，上连接板采用铝板，铝板开孔配合其他相应模块固定，下底板厚度为2mm，整体装置如下图2-1示，采用两套步进系统驱动两个主动轮，差速控制完成履带车的任意方向运动。此方案中主要存在的问题是纯履带在湿润的表面同样容易打滑，而且遇到不同倾角路面容易出现行走卡死和电机空转的情况，故第一套方案不能采用。车轮包括可以全向旋转的全向轮，前后左右旋转的麦克拉姆轮和普通的前后向的橡胶轮，结合麦克拉姆轮采用4电机直驱的箱式车体设计了第二种研究方案，此方案通过主箱体结构配合4组车轮单元，考虑到越障等问题还设计4套缓冲减震系统；同时系统采用2组48V11Ah的电池为系统采用电力提供了保障。整体装置如下图2-2示，但考虑到小车重量会不满足设计要求，同时四轮驱动不但使得控制系统复杂，而且曲面适应性差，容易产生下滑失稳的情况，并且电机的直接外露也导致车体防水问题突出，所以第二种研究方案仍不可采用。 a) b)图2-1 第一种研究方案装置图2-2 第二种研究方案装置2.4 最终方案的具体设计智能越障小车经历了两种方案的分析后，确定了最终的方案，对方案进行计算论证后即进行模块化设计，主要包括：驱动单元，车体单元，越障单元和导航传感单元。2.4.1 车体单元设计针对三套方案进行综合对比后，如下表2-1所示，最终选择第三套方案。表2-1 三套设计方案整体对比方案第一种前驱履带车第二种四驱麦轮车第三种双履带车车体结构两组履带轮配合中部连接板箱体为核心外置四组麦轮驱动单元上车板连接整体行走方式2组履带轮4组麦克拉姆轮双组履带可行走可越障驱动方案2组步进减速电机配合链传动驱动4组伺服减速电机直驱2组伺服减速电机主要优点转向简单运动平稳动力充足磁力可调驱动简单转向轻便存在缺点路面过渡性差极限情况打滑明显电机外置防水性差车体笨重横移稳定性差同样可能存在轻微打滑初步设计的第三套车体方案如下，整体的设计图如下图2-3所示：图2-3 所设计双履带可越障小车车体模型图2.4.2 驱动单元设计 （1）驱动方式选型常见的驱动方式有液压驱动，气压驱动和电机驱动等。在这里主要比较一下三种驱动方式的优缺点，如下表2-2所示：表2-2 常见驱动方式性能比较驱动类型液压驱动气压驱动电机驱动驱动特点采用液压泵液压缸及液压回路整套系统驱动执行元件驱动稳定采用气泵气缸及气压回路驱动执行元件，存在反应快动作迅速采用电动机将电能转化为机械能调速范围宽应用场合生产线固定式大功率智能车精度不高但有洁净防爆等要求的智能车系统可用于常见智能车领域受限制场合较小优点功率大可省去减速机构刚度好响应快结构简单动作灵敏并且具有缓冲作用配合机械装置可以实现任意运动不同功率、速度等场合都适用存在的问题受污染影响大有安全隐患稳定性差功率小刚度差噪声大且速度不易控制价格相对来说不低由于越障小车要求不同工作环境下适应性强，灵活轻便和控制简单，通过对三种主要驱动方式进行对比后，最终选择电机驱动。小车的核心控制量即为控制小车移动，无论是小车自身的移动，还是机械臂的关节移动，因此小车底层控制最根本的问题就是对电机的转动控制。下面针对小车的工况进行运动学和动力学初算，初步确定出越障小车的速度和力矩，来进行电机选型和驱动细化方案设计，同时辅助后面单元的初步确定。对路面上的小车进行力学分析，初步确定电机的力矩，同时根据设计任务要求确定满足的速度。设计要求说到小车至少要达到0.1m/s的速度，通过计算，当采用同级传动，并且车轮选用100mm外径的的车轮，要确保电机达到24rpm的转速，转矩的计算则可以通过动力学模型初步计算，如下图计算模型：角度的范围为0-90，首先考虑一般情况：1一般角度向下运动，如图2-4所示：图2-4 一般角度向下运动模型满足，为静摩擦系数，可以通过公式并结合软件，计算所需力为；处于向下运动状态时：X方向上：mgsin+F驱=Ff=2FN（2-1）Y方向上：mgcos=FN（2-2）为滑动摩擦系数，小车的行走力基本可以由静止状态下确定，要求是静止状态下不下滑，而电机驱动力则根据向上运动计算。2一般角度向上运动，如图2-5所示：图2-5 一般角度向上运动模型图静止状态下，同样的：X方向上满足：Ff静=mgsin（2-3）Y方向上满足：mgcos=FN（2-4）向上运动时，模型如上图2-6所示：X方向上满足：F驱=mgsin+Ff（2-5）Y方向上满足：mgcos=FN（2-6）Ff=FN=mgcos（2-7）显然发现极限状态下求电机驱动力即为=90时候，模型如图2-:6所示：图2-6 极限情况竖直状态模型图X方向上满足：F驱=mg+Ff（2-8）具体设计如下：静止状态下，设计的小车重量为10.5kg，重力为105N，以润滑摩擦状态，取2为合理值。下面则可以计算极限情况下，电机所需要的驱动力，将重力驱动力和滑动摩擦力对重心的力矩进行等效，求出电机驱动力至少要达到210N，确定安全系数为1.5-2，则电机的驱动力至少为600N-800N，一般考虑采用的相应转速转矩下电机轴颈正常为8mm，则T=7.4Nm 。确定好电机所需要转速要求和电机转矩后，就可以进行电机选型，常用的电机有直流电机和交流电机，考虑到智能小车利用直流锂电池供电，所以电机一律采用直流电机，直流电机里常用的有步进电机和伺服电机。具体的步进电机和伺服电机性能比较如下表2-3示，虽然步进电机控制简单，价格便宜，但伺服电机的力矩体积比一般较大，所以考虑在有限的空间里选择合适的电机，伺服电机符合要求，同时越障小车要求上电后能够使得电机自锁，所以伺服电机的位置模式适用性更强。表2-3 步进电机和伺服电机特点比较电机类型主要优点主要缺点控制方式使用场合步进电机控制简单低速大扭矩成本低由于采用开环控制控制精度相对较低同时高速情况下难以保证扭矩一般采用专门的步进驱动器或者采用双环型脉冲配合功率驱动电路一般在控制精度要求不高工业控制成本有要求的地方中低速小扭矩场合伺服电机运行平稳可靠调速性能好控制精度高噪声较小价格高自带编码器进行信号反馈相对来说控制复杂一般有专用的伺服控制器一般可以通过PWM信号或者电压模拟量信号控制高速高精度等场合广泛用于数控机床等高精加工设备场合直流伺服电机需要选择相应的减速器，根据速度和转矩要求，选择的伺服电机为HDB电机，其型号为17DSM100-30L2，基本参数为额定电压24VDC，额定转速为3000rpm和额定功率为100W，电机配合的减速器其减速比为1：40，同时匹配的驱动器型号为MCAC-706，该驱动器是采用DSP 设计生产的矢量控制, 低成本全闭环全数字交流伺服驱动器。包括可调的三个反馈回路控制（位置回路、速度回路以及电流回路）。性能稳定，适合驱动电压 2480V 功率在30W400W 以下的伺服电机。选择的伺服减速电机及其控制器实物图如下图2-7所示：图2-7 伺服减速电机及其控制器（2）驱动系统布置设计中考虑到内部模块装配位置的因素，为了让两个主动车轮能够相对车架对称布置，所以设计了前后驱动系统，后轮电机直驱，前轮通过直齿圆锥齿轮传动，降速增扭。如下图2-8所示：图2-8 小车驱动系统装置图2.4.3 辅助单元的设计与选型除了核心的主控模块及其外围模块会在第四章进行介绍，还需要确定越障小车的其他辅助电路单元，主要为电源供电及显示模块（含充放电系统）、开关电路模块（含电量指示灯）和电路保护模块（含熔断器和继电器）。（1）电源供电模块电源模块采用的是24V5Ah三元锂电池，尺寸为75*70*95mm，锂电池出两根总线，一根为放电线一根为充电线，充电线连接2芯50A工业连接器AS24-2P母头用于充电。确定的电池保护电路的过载电流为15A，可以保证越障小车在遇到障碍等极限情况，如驱动电机过载或者转轴卡死的情况下，电池可以保证电路稳定工作，电池及充电头实物图如下图2-9所示：a) b) c)图2-9 24V5Ah锂电池和2芯工业充电接头（2）开关电路模块开关电路首先采用小车外接开关按钮，完成控制系统的一键通断，采用22mm金属按钮LED点动自锁的防水按键开关；同时电路中串联电路指示灯，反应主控板电路是否正常通电，采用6mm-5V金属LED指示灯；电路开关及指示灯实物如下图2-10所示：a) b)图2-10 电路开关及电路指示灯实物（3）电路保护模块电路保护模块包括单列熔断器和4路继电器，单列熔断器串联在24V锂电池与总电路之间保护电路安全运行，继电器负责伺服电机的继电保护。实际的熔断器型号为EA9AN1C20，继电器型号为RPM42BD，具体的熔断器和继电器的实物图如下图2-11示： a) b)图2-11 熔断器和继电器实物最终设计的越障小车整体模型图如下图2-12所示：图2-12 越障小车整体模型图2.5 本章小结本章主要根据技术要求和实际工作特性，进行越障小车系统设计，通过分析总结前两种设计方案最后确定出最终的设计方案。重点介绍了最终方案的各模块具体设计，通过将整机分为四个主要模块，分别进行研究与方案优化。车体单元需要结合越障小车轻量化和运行稳定的要求进行设计；驱动单元通过结合底盘的特点确定出双履带行走单元，其他各个模块的具体设计，通过相应的参数要求和设计准则进行实际选型，该设计方案可以使小车重量满足小于20kg的要求。第3章 越障小车运动分析与动力学系统建模3.1 引言越障小车的设计方案确定后，通过建立简化模型，初步计算了所需要的力和电机参数等，本章根据越障小车实际的工作特点，进行运动学与动力学分析，其中针对不同平面运动的不同失稳情况进行建模分析与计算。3.2 总体方案分析最终设计的越障小车为双履带轮配合结构，并设置前后驱动系统。3.2.1 二维平面运动学及动力学分析越障小车的运动系统如下，小车的中轴线两侧分别设置驱动轮，整体系统可以简化为对称的两侧主动轮系统。整个系统的差速驱动，可以确保在越障小车转弯换向的时候，保证所接触路面的轮体运动形式都为滚动，有利于降低功耗，同时提升了小车的运动灵活性。考虑到小车的驱动与换向主要依靠一对差速主动轮，而从动的万向轮在系统中稳定随动，故将越障小车的模型等效如下图3-1所示：图3-1 越障小车等效模型如模型所示，简化点为越障小车的重心，确定其速度为，角速度为，确定左右主动轮的线速度分别为和，两轮的垂直距离为，车轮半径为，小车转向过程中方向角为，二维平面坐标系为，小车的随车坐标系为，可以确立基本的运动关系式如下： (3-1)同样的可以列出越障小车的质心速度与左右车轮之间的速度关系： (3-2)同样的可以求出越障小车的质心速度分量与左右车轮的速度关系： (3-3)当越障小车在行走路面进行转向时，可以将越障小车的转弯半径瞬时值设为，可以确定出越障小车的旋转角速度与越障小车重心点处速度关系如下：。 可以发现实际控制小车左右车轮的速度（即电机转速）可以配合不同转弯半径来控制小车的不同运动，例如直线行走与定点转向。同样的，得到小车质心点处的速度信息后，可以通过积分求解出其位置信息，可以确定如下： (3-4)3.2.2 三维空间运动学及动力学分析在小车建模及分析动力学系统时，建立实际的三维动力学系统更有助于根据对应的失稳情况进行计算。实际的工作路面为曲面，尤其是在翻越障碍的部位，考虑到初始工作面几乎为平面，所以路面等效为有一定倾角的斜面，对应建立空间坐标系，同时小车建立随车的运动坐标系。具体分析图如下：图3-2 小车三维模型分析图针对小车确定的模型图，受力分析后，确定小车，把行走路面等效为倾角为 的斜面后，的范围为，确定行走路面坐标系为，针对越障小车确立的随车坐标系，确定越障小车的空间位置角为。小车的空间受力分析，即可将越障小车的重力在重心处分解，首先将越障小车的重力在垂直于路面的平面内分解，分解为平行于路面的轴分量(即面分量)和垂直于路面的轴分量： (3-5) 进一步的，可以将重力分量在小车的随动坐标系（）内分解，确定出各个方向分力如下： (3-6)在第二章越障小车的结构设计中，确定越障小车的相应参数如下表3-1所示：表3-1 越障小车的运动学相关参数参数数值参数数值小车质量M10.5kg车轮转速n100rpm小车重力G105N小车速度v31.4m/min小车加速度a0.0833m/s2小车底盘高度H64mm车轮转动惯量Jcl1.2510-3kgm2电机驱动转矩Mqu12.7Nm首先分析越障小车整体运动情况，根据牛顿第二定律：当小车向下运动的时候，对应小车运动分析和车轮运动分析如下： (3-7)当小车向上运动的时候，对应小车运动情况和车轮转动受力分析如下：(3-8) 3.3 越障小车的空间失稳情况分析越障小车在行走路面运动的时候，当系统与小车整体情况确定后，由于摩擦因素及摩擦力不受接触面的影响，所以小车在任意情况下稳定行走的条件都可以归结为重力、摩擦力之间的制衡关系。小车稳定行走可能会出现若干种失稳的情况，例如横向滑移失稳或者倾覆失稳等情况，下面则分类讨论。3.3.1 越障小车沿路面滑移越障小车在竖直方向上运动时，主要表现为重力与摩擦力的平衡关系，电机驱动力的调节可以让越障小车完成向下和向上运动。向上运动时，如果小车产生下滑或者侧移都是需要考虑的失稳情况。第二章静平衡分析时，已经根据小车重力来确定摩擦力，进而确定力，行走稳定是不产生滑移失稳的关键条件。分析过程中，考虑两个车轮的支持力分别为和，摩擦力分别为和，一般情况下两轮的支持力和摩擦力都是相同的，摩擦力设置为，考虑到任意时刻整个底盘只有两主动轮接触行走路面。图3-3 越障小车沿路面平移失稳示意图由图中模型所示，根据静平衡条件，满足： (3-9)实际的研究过程中，根据万向球轮单元接触形式为点接触，所以其支持力不能忽略，但是摩擦力受摩擦系数的影响较小，可以取，实际过程中发现为了平衡这个分量，考虑使用摩擦力来平衡，同时也可以验证出无论小车在行走路面处于何种平移状态（上下平移或左右平移，满足稳定条件的会对应改变方向），则可以求出单个单元的行走力要满足： (3-10)实际的计算过程中，小车质量为10.5kg，则重力取为105N，对于摩擦系数，考虑为聚氨酯材料与钢铁或者水泥材料之间，查阅手册发现无润滑的状态下一般为0.6-0.8，由于路面经常附着着水渍，考虑摩擦系数采用，实际的路面倾角一般在0-20。3.3.2 越障小车的纵向倾覆当越障小车在行走路面运动的时候，由于 的作用可能导致小车产生纵向倾覆，该状况下需要通过力对倾覆点B的力矩来进行平衡，模型图如下3-4所示，显然差速驱动轮特有的上侧两个履带就是防倾覆的。但是越障小车沿行走路面上下运动的时候，由于会对B点产生倾覆力矩，则垂直路面方向上达到平衡需要满足如下： (3-11)图3-4 越障小车纵向倾覆模型图通过模型分析，发现要防止越障小车能够稳定行走并运动，避免产生纵向倾覆的失稳情况，确定出的力要满足条件如下： (3-12)考虑到两主动轮的支持力在重力稳定后，随着系统增加而增加，所以在极限接近倾覆的状态下，和其实都接近，此时可以理解为越障小车刚接触行走路面，还没有力加载，此时根据，在0-30，在-90-90，来计算满足的力 3.3.3 越障小车的横向倾覆小车平移过程中可能出现滑移失稳，同时当时，两个驱动轮沿着斜面x轴运动，此时可能出现横向倾覆的问题，即考虑越障小车的下侧驱动轮与车体外沿的接触线等效为一个点A，此时重力对A点产生倾覆力矩，但是系统的摩擦力并没有产生防倾覆力矩，起作用的是系统的行走力，并且下轮的双侧单元的行走力对应力矩刚好抵消，所以抗倾覆力矩是由上侧的单元产生的，横向倾覆示意图如下：图3-5 横向倾覆分析示意图针对横向倾覆模型，可以求出对于重力产生的倾覆力矩对应力来平衡的模型： (3-13)如上面模型表达式所示，为两差速主动轮的中心距离，可以求出力需要满足条件如下： (3-14)可以求出，显然发现此种极限情况所需求的行走力比较小，表示此种失稳情况较难发生。3.3.4 越障小车的侧向倾覆越障小车在实际的移动过程中，可能会出现转向时侧向倾覆的可能性，设单侧主动轮与从动轮共线为ZS线，即越障小车产生绕ZS线倾覆的失稳情况，建立的模型如下：图3-6 越障小车侧向倾覆模型由所建立的侧向倾覆模型，确定的模型表达式如下： (3-15)3.4 越障小车的越障性能分析当越障小车运行在行走路面时，除了稳定行走与适应各种倾角路面，同时还要跨越相当多的焊缝。行走路面的焊缝多为条状焊缝，焊缝的宽度在3-8cm，取平均值5cm作为计算值，焊缝的高度在20cm，考虑计算模型中取焊缝高度为20cm进行分析，实际的焊缝有水平位置和竖直位置，所以越障小车在接触焊缝的过程中，可能会出现双主动轮越障、单从动轮越障和单主动轮越障，小车要满足设计要求，需要达到各种越障过程中都能稳定行走并且能正常驱动，设为焊缝对于车轮的反力与船路面的夹角5-7。3.4.1 单从动轮越障模型考虑越障小车向上运动的过程中，上从动轮首先跨越焊缝，确立的模型如下：图3-7 单从动轮越障模型如模型图所示，前万向从动轮从接触圆弧型焊缝开始，受到一个支反力，该支反力与路面路面的夹角为，该角度从30变化到150，但是主要分析0到90范围内变化的影响，需要从两个层面考虑越障的问题，第一方面为越障情况下，越障小车能否稳定行走不会出现危险情况，第二个方面为根据阻力矩计算所需电机力矩，确保所选电机可以稳定驱动。越障过程中，滑移与防倾覆问题依然与之前分析的失稳情况类似，区别在于多出了前段支反力，同时存在当从动轮完全运动到焊缝顶端时，底盘出现一定角度倾斜，体现在系统与路面的距离增大，直接影响到系统的行走力。假设焊缝的高度为，宽度为，定义前从动轮在焊缝上时，前后从动轮的接壁点连线与路面的夹角为，建模如下： (3-16) (3-17)分别得到滑移和倾覆两种情况下的行走力要求如下： (3-18)最终计算，发现前履带轮辅助接触越障还是较为简单的。越障过程为前履带轮先接触障碍，驱动力对应摩擦推动，越过障碍后，主驱动力带动后面主轮进行越障，前倾轮呈下落趋势，在接触地面前提供一定的支反力用于防倾覆。其中前后轮配合可以保证20cm障碍正常越过。3.4.2 双主动轮同时越障模型实际的越障小车运行过程中，单主动轮越障得益于系统下半部分三角支撑与动力匹配，显然越障难度较小，但是双主动轮越障时，首先两个万向从动轮在运动过程中只有一个会接触路面，同时跨越焊缝的过程中，力存在指数级的减小变化，系统稳定行走是一个问题，同时焊缝所带来的支反阻力对于主动轮的驱动电机有一定的要求，尤其是行走路面的焊缝存在于各种曲率路面上。图3-8 双主动轮同时越障模型针对建立的双主动轮同时越障模型，发现模型整体经历两个阶段，即前半段与后半段，对应着前后主动轮分别接触路面的情况，越障的第一阶段，后从动轮着地，主动轮过焊缝，前从动轮悬空，此时可能出现的失稳情况主要有路面滑移失稳，由于行走系统稳定布置在主动轮的两侧，主动轮过焊缝时，系统行走力可能会出现渐变式减小，但是无论是行走力瞬间突变导致小车有反转倾覆的趋势，还是出现下滑式倾覆，越障小车产生的都是对于D点的倾覆力矩，定义双主动轮在焊缝上时，此时前后从动轮的接壁点连线与路面的夹角为，建立的失稳模型如下： (3-19) (3-20)式子中，具体的分量可以忽略不计，则确定的初步状况下的系统稳定条件下的力为： (3-21)实际的计算，可以求出力的条件。同样的，后主动轮抬起，前主动轮接触路面，建立的模型本质上和以上模型一致，同样可以保证20cm障碍正常越过，故不再赘述。3.5 越障小车所需的电机驱动力矩计算对各类的失稳情况分析计算后，行走力决定越障小车的支持力，进而决定了小车的摩擦力，摩擦力影响到任意时刻的小车稳定，上文已经设计了小车的安全系数为，而该行走力同时决定了小车运动情况下稳定驱动所需要的电机驱动力，单从动轮越障过程，计算电机的要求转矩同样是以向上运动为标准。向上运动时候，将摩擦力与支持力对于重心产生的阻力矩相加，分析所需要的电机驱动力矩，具体求解如下，下面两个公式分别对应越障小车平移和越障时所需的电机力矩8-11： (3-22) (3-23)针对上面建立的在行走路面的滑移模型和越障模型，分别确定电机需求转矩，分析多因素模型的最优解问题。首先针对滑移模型，考虑到越障小车的底盘高度和质心底盘距离的实际变化量都比较小，可以不考虑其影响。主要分析，和的影响，实际的电机合理转矩确定首先要确定系统的实际力，可以当做定值，因为已经作为安全系数的给定值在开始时计算了，所以电机安全转矩主要分析与摩擦系数和重力的向分力的关系，由于和重力分力无关，所以各自取极限值即可，即分别分析实际情况下的路面与轮子的摩擦因子和路面倾角关系即可，此处默认小车重量基本确定（即电机的重量调整量与电机转矩增大微量都很小）。实际计算中，针对符合的，选取安全系数为施加力，同时设计作为电机的安全裕度系数，根据第一个式子即平移情况下的电机力矩计算，求出，根据倾覆状态下的力矩计算，求所需要的驱动电机力矩，。综上，根据电机的安全裕度系数，选取实际的两个电机驱动总力矩要达到19.01Nm，即单个电机额定转矩要求达到9.5Nm，结合第二章选取的HDB伺服电机，其额定转矩为12.732Nm，满足设计要求，同时考虑到系统特殊情况下的极限过载，通过配置驱动器参数，将其伺服电机的过载转矩调整为50%，并且所确定电机的速度可调，行驶速度可以达到0.1m/s，满足条件。3.6 本章小结本章主要介绍了所研究的越障小车的运动学和动静力学模型。先通过二维模型完成越障小车的运动学分析，同时建立相应三维模型，以重力在越障小车自身随动坐标系下的分量开展相应动力学系统分析，动力学系统中主要研究了诸如路面滑移失稳、各个方向的倾覆和以焊缝为主的三种类型越障等情况，分别建立相应的模型并求解出符合条件的行走力，最终通过建立整体的多参数系统模型，确定了电机驱动转矩M，并给出合理的系统安全系数c和电机选型的裕度系数a，验证了之前驱动部分设计选型的合理性。第4章 越障小车控制系统4.1 引言与车体单元、驱动单元等模块一样，越障小车的控制系统模块也很关键。常见的小车控制系统汇集了传感器技术、电机控制技术、计算机视觉技术、软件与通信技术等。本课题的越障小车的控制系统主要包括主控单元、电机驱动单元、交互通信单元、电路保护单元和供电单元。4.2 控制系统思路整体控制系统思路如图4-1所示：图4-1 系统控制逻辑图4-2障碍检测判断逻辑4.3 控制系统硬件硬件部分主要包括：上位机模块、下位机模块、电机控制模块、避障检测模块、传感器模块和通信交互模块。整体的通信方式为无线通信与串口TTL通信。上位机中OPENWRT系统主要负责控制信号的发送；下位机MCU部分主要负责接收并处理串口端的控制信号、电机驱动信号发送、传感器信息采集与系统决策；电机的驱动控制主要负责小车的移动控制，整体的电机驱动部分主要由2台直流伺服控制器组成，根据下位机发送的电机控制信号进行对应电机的控制；检测传感部分主要为超声波传感器与激光测距传感器，根据越障小车的前车底安装的超声波传感器，利用超声波传感器进行判断直接的障碍，同时针对不平路面的焊缝等障碍，可以提前预警，实时将数据发送给下位机；对于障碍的距离与放大的高度，则通过激光测距传感器对其作出判断，越障高度大于20cm就选择绕过，越障高度小于或等于20cm就选择电机驱动越过。主要的硬件设计如硬件结构图4-3所示：图4-3 硬件系统组成示意图4.3.1 主控芯片及其引脚分配该课题使用的控制芯片是ST公司推出的32位基于Cortex-M4内核的单片机STM32F405RG，此单片机具有PWM输出通道非常适合用于控制电机，同时该芯片可以快速地进行数模转换，具有低功耗、大闪存的特点，适合处理多种优化算法。该芯片的控制功能如下：（1）通信接口多达15个（包括6个速度高达10.5Mb/s的USART、3个速度高达42Mb/s的SPI、3个IC、2个CAN和1个SDIO）。（2）2个12位ADC、3个速度为2.4MSPS或7.2MSPS（交错模式）的12位ADC。（3）定时器多达17个（频率高达168MHz的16和32位定时器）。（4）基于模拟电子技术的真随机数发生器。通过硬件控制板设计进行下位机系统的开发，设计的下位机主控板主要负责接收上位机串口发送的控制信息12-13，同时完成若干路不同电机的控制，需要接收小车不同传感器的信号并对应处理，预留AD接口用于传感器信息的接收，并且要求预留出232和TTL两路串口，具体设计的单板芯片的引脚分配电路原理图如下所示：图4-4 控制板芯片的引脚分配具体设计制作的下位机控制板如下图所示，将外围电路与主芯片放置于正面，在背面接出40个引脚，分别为四路电机用信号，两路模拟量输入和两路数字量输入、2路串口和SWD调试接口。图4-5 单片机控制板4.3.2 外围电路设计对于一个单片机控制系统，想使它正常工作，只有芯片是无法实现的，除了主芯片以外，还需要有基本外围电路的模块，主要有时钟电路模块、电源模块、复位电路模块等。（1）晶振电路晶振又被称为晶体振荡器，是系统工作中不可缺少的一部分，MCU（微控制器）如果要正常得运行，就必须要有时钟来提供一定的频率。单片机所用的时钟频率就靠它与芯片内部电路结合所产生，单片机执行所有指令的保证正是时钟频率。晶振所提供的时钟频率越高，单片机控制器运算处理的最大速度也就越快。晶振电路如图4-6所示：图4-6 晶振电路（2）复位电路复位电路同样是系统中不可或缺的重要部分，任意的计算机系统，在启动运行前都要操作复位，使得CPU和系统中的其它部分都能保持在某一确定的初始状态，并从这个初始状态开始运行。除此之外，单片机在受到外界干扰后出现程序进入死循环或程序跑飞的问题时，则需要通过人为进行复位进而解决上述问题，使系统恢复到初始的状态。复位电路如图4-7所示：图4-7 复位电路（3）启动模式电路上面提到了复位电路，而在芯片复位时，BOOT1、BOOT2的引脚所读取的电平状态则决定了单片机的启动模式。该芯片启动模式包括如下三种：用户闪存启动、系统存储器启动以及内置SRAM启动。启动模式电路如图4-8所示：图4-8 启动模式电路4.3.3 其他模块电路设计（1）电平转换电路该系统中设计了基于RS-232的串口通信模块，较好得实现了上位机与控制板之间的数据通信，同时做到某些功能的验证。本课题采取MAX232作为串口通信的驱动芯片，用来实现STM32串口模块与上位机之间的连接。此芯片满足RS-232标准，具备低功耗、高性能、体积小等一系列优点，采取+5V的电压进行供电，将上位机串行口的信号电平转化成单片机标准TTL信号电平并给到单片机，这样能使系统更加可靠。电平转换电路如图4-9所示：图4-9 电平转换电路（2）稳压电路本课题采用LM2596-5.0作为调节单片机与外设电压的稳压芯片，该芯片作为开关电压调节器，能够输出3A的驱动电流，具有很好的线性和负载调节特性，稳定输出5V电压。本课题还采用AO3401增强型场效应管作为电压控制型元件实现开关功能，同时采用ASM1117-3.3正向低压降稳压芯片稳定输出3.3V电压，用来驱动单片机及相关芯片。稳压电路如图4-10所示：图4-10 稳压电路（3）AD电路本部分电路采用LM258作为运算放大器来增大模拟量输入的电压，其中Ain模拟输入端口接收外接传感器的电压信号，经过放大后由单片机ADC通道采集，这样解决了ADC精度不高的问题，同时使数据获得更加准确。Din数字输入端口采集的信号经过TLP281-1光电耦合器转换成Di进而输入到单片机，这里TLP281-1光电耦合器不仅起到转换作用，还起到防干扰的作用。AD电路如图4-11所示：图4-11 AD电路（4）电机驱动电路本课题采用HD74LS06FPEL作为集电极开路高压输出六反相驱动器，可以实现高低电平的转换，能有效地驱动伺服驱动器进而对伺服电机进行控制，实现转弯避障等相关功能。其中伺服驱动器工作在位置模式，单片机留出4路PWM引脚给到伺服驱动器脉冲+、脉冲-、方向+、方向-四组脉冲信号。在设计该电路的时候考虑到PWM信号为高频的脉冲调制信号，则使用PC410/417光电耦合器来进行隔离PWM信号，同时降低干扰。电机驱动电路如图4-12所示：图4-12 电机驱动电路4.4 本章小结本章主要介绍了智能越障小车控制系统硬件电路的一些设计。首先交代了控制系统总体思路和程序流程图，还说明了控制系统所实现的功能，按照设计需求，将控制系统分成两大部分，分别是主控单片机以及外围电路和其他模块电路，主控芯片采用的是STM32F405单片机，其外围电路主要有复位电路、晶振电路以及启动模式电路，其他模块电路主要包括电平转换电路、稳压电路、AD电路以及电机驱动电路，对各部分器件进行了选型，同时设计好相关的电路结构。第5章 工程定额概算5.1 智能越障小车制作过程的成本预算定额中的材料用量包括直接消耗在设备制作中的使用量与规定的损耗量。主材铝合金板所用的尺寸是600mm600mm，如果实际尺寸小于尚书规格，则需加损耗量3%。定额对用量较少，对基价影响较小的零星材料不列入名称和用量，合并为其他材料费，以“元”表示加入基价。定额中不包括外部及协购件，其用量按设计图纸计算，价格按采购或协作合同价格计算。表5-1 车体及驱动单元明细表序号名称数量材料费用1轴承支座46061-T6502挡板146061-T61253车轮26061-T6454车轮转轴26061-T6405轴承端盖4Q235-A256挡板226061-T61207T1096-2003普通平键A型31024588T1096-2003普通平键A型52524589T276-94深沟球轴承6001-2Z4钢2510GB3452.1-92O型橡胶密封圈11.81.82YI6364311T70.1-2000内六角圆柱头螺钉M53028.8级312T889.1-20001型非金属嵌件六角锁紧螺母M52钢313T95-2002平垫圈C级512钢114T70.1-2000内六角圆柱头螺钉M41648.8级215T93-1987标准型弹性垫圈(装配)30.8465Mn116T70.1-2000内六角圆柱头螺钉M31048.8级217T1096-2003普通平键A型316245818轴端挡圈4Q235-A3019轴套4Q235-A5020汉德堡电机245180021汉德堡减速器2451200表5-2 电控单元明细表序号名称数量材料费用1主控板1塑料200235mm宽DIN导轨-801C45103熔断器-单列1冷板54接线端子-菲尼克斯ST111普通碳钢55继电器1Q235-A45635mm宽DIN导轨-1201C45107锂电池 24V10.4AH140082芯50A工业连接器AS24-2P母头145259金属LED指示灯6mm红色12V1451210限位块11511摄像头舵机14512夜视辅助LED灯1201324-5V降压模块（10A）1151424-5V降压模块（5A）11515夜视灯开关121624V锂电池用电量显示灯1517开关按钮（22mm15A）1Q235-A218433M模块发射遥控器14510019遥控器无线模块外接天线3451220(TL-WR703N）wifi路由模块18821摄像头（林柏视C600红外夜视720P）112022433M模块接收装置125根据表5-1计算车体及驱动单元总费用为7718（元）；根据表5-2计算电控单元总费用为1250（元）；故制作此智能越障小车所需的总费用为8968（元）。5.2 智能越障小车制作对环境影响及其可持续性5.2.1 智能越障小车对工作环境的影响在智能越障小车项目的生产中，该小车采用的材料大多为铝合金，铝合金生产的主要工艺流程为熔炼、精炼、铸棒与表面处理。铝系列材料的熔炼过程会产生粉尘空气污染，而此过程的控制与温度，往往是工艺技术的重要参变量，通常控制好燃油流量200kg/h，保持熔化温度在（75020），既可减轻环境污染，又能节省燃料；浇铸时需控制熔炉的温度在（70010），此过程会产生熔炉废渣；表面热处理过程则会产生有机气体、处理废液等。5.2.2 智能越障小车生产中对三废的处理方法项目工厂不设置在城镇居民区的上风向与水源上游以及城市的自然保护区、文物景观等环境敏感地；项目工厂周围合理布置隔离带，并对外围街道同样做隔离处理；项目工厂附近种植树木以增加对有害气体的吸收；项目建设单位对建设期和生产经营过程中产生的“三废”进行综合治理代表排放。5.2.3 智能越障小车设计理念的可持续性项目采取国内成熟的生产技术、优越的污染处理方法、典型的检测控制装置对节约能源、环境保护、生产智能越障小车均提供了有效支撑，先进的工作设备为项目的实施提供了强力的生产保障。同时，该项目包含的生产过程满足环境保护、清洁加工、节能减排等标准规定。实现产业化与生态化的和谐发展，这是确保经济可持续发展的必然选择。5.3 智能越障小车制作过程管理该项目打算从需求输入、分析到批量生产准备进程共需时间为15个月，详细进度安排见表5-3所示：表5-3 项目时间安排表第6章 总结与展望6.1 全文总结本文主要依据所学的理论知识，设计一种智能越障小车，使其具有较强的越障性能、较强的适应性与使用寿命，并实现自动运行和自动避障。通过深入了解路面越障小车的发展状况，并结合路面路障采集识别的工作要求，设计出了一种运动灵活，路面适应性强，并且可以进行路障检测识别的越障小车。论文的主要研究内容包括以下几个部分：（1）首先进行越障小车的模型设计，对两种研究方案进行分析思考，最终确定的方案采用双履带行走方案配合铝合金车体，同时对其他模块进行设计计算及选型；（2）对所设计的越障小车进行运动学和动力学计算，针对各种运动失稳模型进行计算与校核，确定出最合理的力，同时针对安全系数与电机裕度系数确定系统驱动力；针对单元进行单元各参数优化与行走方案设计，分别针对动力学系统和系统进行计算；（3）对越障小车控制系统的硬件电路进行介绍，并说明控制系统总体思路以及程序流程图；阐述主芯片的选型与特点，设计了主芯片的引脚分配与外围电路，同时针对其他模块电路的设计及部分器件的选型进行了说明。6.2 研究展望本课题在设计越障小车的过程中，还存在部分问题可以进行优化或采用新的方案，在未来的工作中，还存在以下方面需要改进和研究：（1）出于稳定性和功能性满足的角度考虑，越障小车虽然能满足重量小于20kg，但还是不够轻便，未来考虑在设计的方案中能够对小车进一步小型化，可以基于外接电源进行开发。（2）本智能越障小车的设计只考虑了正常的路面与环境，而潮湿的路面与环境对越障小车的行驶和越障能力产生的影响没做分析，未来可以对小车进一步优化，同样适应潮湿的路面或环境。 参考文献1 唐梦旖, 王倪珂, 田畅, 马心月. 履带式越障救援机器人的研究及发展综述J. 高校实验室科学技术, 2019(02): 138-140.2 Haocai H, Danhua L, Zhao X, et al. Design and performance analysis of a tracked wall-climbing robot for ship inspection in shipbuildingJ. Ocean Engineering, 2017, 131: 224-230. 3 Choi C, Park B, Jung S. The Design and Analysis of a Feeder Pipe Inspection Robot With an Automatic Pipe Tracking SystemJ. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2010, 15(5): 736