發(fā)布時(shí)間：2019-08-01 07:20

【摘要】：農(nóng)用柔性底盤是根據(jù)室內(nèi)運(yùn)送或溫室作業(yè)環(huán)境狹小及空間相對封閉的特點(diǎn)而開發(fā)的新型電動(dòng)底盤系統(tǒng)。該底盤采用4個(gè)偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪模塊,通過控制每個(gè)車輪的速度進(jìn)行底盤的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向,將傳統(tǒng)動(dòng)力底盤的驅(qū)動(dòng)系和轉(zhuǎn)向系合二為一,可以完成斜行運(yùn)動(dòng)、橫向運(yùn)動(dòng)和原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)等現(xiàn)有底盤系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)形式。本文依托國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“溫室作業(yè)柔性底盤的工作機(jī)理與控制策略研究”(編號(hào):51375401),對農(nóng)用柔性底盤的運(yùn)動(dòng)特性及控制策略展開了深入的研究,主要包括:設(shè)計(jì)并搭建偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪試驗(yàn)臺(tái),并進(jìn)行偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪模塊的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向能力和響應(yīng)特性測試;優(yōu)化基于電橋電路的偏置轉(zhuǎn)向軸自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向系統(tǒng),并探究偏置轉(zhuǎn)向軸的自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向的響應(yīng)特性;優(yōu)化改進(jìn)水平轉(zhuǎn)盤式柔性底盤試驗(yàn)臺(tái)及其測控系統(tǒng),探究不同運(yùn)動(dòng)姿勢和不同輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速下的柔性底盤運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力特性;對柔性底盤進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析,根據(jù)其運(yùn)動(dòng)瞬心決定運(yùn)動(dòng)姿勢的原理,提出半模式控制柔性底盤姿勢變化的方法,并完成了此控制方法的模擬仿真與硬化路面試驗(yàn);建立了輪轂電機(jī)運(yùn)動(dòng)模型,偏置轉(zhuǎn)向軸自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)模型,柔性底盤的動(dòng)力學(xué)仿真模型,并進(jìn)行硬化路面條件下的試驗(yàn)與模擬分析。以期為柔性底盤的進(jìn)一步開發(fā)及其控制器的改進(jìn)提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。論文所取得的主要結(jié)論如下:1.通過試驗(yàn)臺(tái)測試明確了輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性和偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪模塊的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向特性。根據(jù)柔性底盤的偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)試制了水平轉(zhuǎn)盤式偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪試驗(yàn)臺(tái),開發(fā)了數(shù)據(jù)采集記錄和顯示軟件。利用Matlab/Simulink建立了輪轂電機(jī)的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。進(jìn)行了不同垂直載荷和不同輪轂電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速下,輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性和偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪模塊的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向能力的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間與垂直載荷無關(guān),僅與設(shè)定轉(zhuǎn)速成正相關(guān)關(guān)系;在垂直載荷為500.00 N時(shí),其500 W輪轂電機(jī)對于偏置轉(zhuǎn)向軸的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向力矩為19.54±0.91 N·m,且偏置轉(zhuǎn)向軸的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向力矩與垂直載荷呈線性正相關(guān)關(guān)系。2.通過模擬和試驗(yàn)臺(tái)測試探明了偏置轉(zhuǎn)向軸模塊的自動(dòng)跟蹤響應(yīng)特性。設(shè)計(jì)搭建了一種基于電橋電路的偏置轉(zhuǎn)向軸自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向控制器,利用Matlab/Simulink建立了偏置轉(zhuǎn)向軸自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。進(jìn)行了不同垂直載荷、不同輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速和不同轉(zhuǎn)向目標(biāo)角度下,偏置轉(zhuǎn)向軸自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向的模擬和響應(yīng)特性試驗(yàn)。結(jié)果表明:偏置轉(zhuǎn)向軸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)向目標(biāo)角度的自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向目標(biāo)角度在-90.00°~+90.00°范圍時(shí),偏置轉(zhuǎn)向軸的自動(dòng)跟蹤平均轉(zhuǎn)角范圍為-88.63±1.54°~+88.17±1.02°,其最大平均絕對誤差為1.77°;垂直載荷對偏置轉(zhuǎn)向軸的自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)向的響應(yīng)角度的準(zhǔn)確性和轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間沒有明顯影響;轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間,在偏置轉(zhuǎn)向軸正向轉(zhuǎn)向時(shí)僅與轉(zhuǎn)向目標(biāo)角度呈正相關(guān),在偏置轉(zhuǎn)向軸反向轉(zhuǎn)向時(shí)與輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向目標(biāo)角度呈負(fù)相關(guān);利用電磁摩擦鎖的鎖緊力可以提高偏置轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性。3.模擬并用水平轉(zhuǎn)盤式試驗(yàn)臺(tái)測試了4個(gè)500 W輪轂電機(jī)組成的柔性底盤在不同運(yùn)動(dòng)姿勢下的運(yùn)動(dòng)特性與動(dòng)力特性。利用Matlab/Simulink建立了基于水平轉(zhuǎn)盤式試驗(yàn)臺(tái)的柔性底盤動(dòng)力學(xué)模型。優(yōu)化改進(jìn)了水平轉(zhuǎn)盤式試驗(yàn)臺(tái),并進(jìn)行了不同輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速條件下,柔性底盤的直行、45°斜行、原地轉(zhuǎn)向及橫行等四種運(yùn)動(dòng)形式的試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力特性試驗(yàn)。結(jié)果表明:柔性底盤運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)后,四個(gè)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速從0增加到設(shè)定轉(zhuǎn)速的總體響應(yīng)時(shí)間為2~3 s,其平均值為2.003±0.267 s;4個(gè)500 W輪轂電機(jī)構(gòu)成的空載柔性底盤直行牽引力為727.47±17.72 N,橫行牽引力為760.14±13.22 N,斜行45°的牽引力為729.29±19.46 N。4.提出了柔性底盤姿勢變化的半模式控制方法,并完成了運(yùn)動(dòng)模擬仿真。通過對柔性底盤的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得到了柔性底盤的活動(dòng)度,可操作度和機(jī)動(dòng)度;根據(jù)其運(yùn)動(dòng)瞬心的位置決定著柔性底盤姿勢的基本特征,提出了半模式控制柔性底盤姿勢變化的方法。設(shè)計(jì)了用于選擇柔性底盤運(yùn)動(dòng)瞬心基于極坐標(biāo)系的模擬控制界面,利用Matlab/Simulink建立了柔性底盤運(yùn)動(dòng)仿真模型,并進(jìn)行了柔性底盤由直行準(zhǔn)備姿勢向直行運(yùn)動(dòng)姿勢,斜行運(yùn)動(dòng)姿勢,橫行運(yùn)動(dòng)姿勢和原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)姿勢等四種特殊姿勢轉(zhuǎn)換的運(yùn)動(dòng)仿真。仿真結(jié)果表明:模型能夠較好地反映柔性底盤的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性,模擬驗(yàn)證了半模式控制方法的有效性。5.完成了半模式控制柔性底盤姿勢變化控制器設(shè)計(jì)及硬化路面實(shí)車運(yùn)行控制試驗(yàn)。針對柔性底盤半模式控制姿勢變化方法的工作原理,設(shè)計(jì)制作了半模式控制姿勢變化的控制器。采用模塊化設(shè)計(jì)方法構(gòu)建了該控制系統(tǒng)的底層硬件部分,結(jié)合CAN總線和傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了該柔性底盤偏置轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向角度等數(shù)據(jù)的采集功能;基于低速阿克曼四輪轉(zhuǎn)向模型與轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制算法分析,驗(yàn)證了半模式控制柔性底盤姿勢變化控制策略的有效性。進(jìn)行了柔性底盤由直行準(zhǔn)備姿勢向直行運(yùn)動(dòng)姿勢,斜行運(yùn)動(dòng)姿勢,橫行運(yùn)動(dòng)姿勢和原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)姿勢變化的硬化路面運(yùn)行控制試驗(yàn)。結(jié)果表明:控制器可以實(shí)現(xiàn)柔性底盤姿勢變化的控制功能;柔性底盤靜止時(shí),偏置轉(zhuǎn)向軸可實(shí)現(xiàn)-90.00°~+90.00°范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)向,且轉(zhuǎn)角控制的最大平均絕對誤差為0.31°;通過控制器設(shè)定好柔性底盤的運(yùn)動(dòng)瞬心位置后經(jīng)2.309 s左右姿勢變化完成;且姿勢變化完成后的柔性底盤運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)證明了固定姿勢的控制系統(tǒng)的有效性。
【圖文】：

立驅(qū)動(dòng)和四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向的電動(dòng)底盤。主要由4個(gè)偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪模塊和車架組成。4個(gè)偏置轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)輪獨(dú)立控制，彼此之間沒有機(jī)械連接。本文所研究的柔性底盤為路敵等（2011a）研制的樣機(jī)及其主要技術(shù)參數(shù)分別如圖1-1和表1-1所示。與傳統(tǒng)底盤相比較，其靈活性大大提高�？赏ㄟ^改變偏置轉(zhuǎn)向臂與車架的夾角改變?nèi)嵝缘妆P的姿勢，完成傳統(tǒng)底盤無法實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)形式，如斜行（Parallel moving，，簡稱PM）、橫行（Car left-right，簡稱CLR）和原地轉(zhuǎn)向（Situ steering，簡稱SS）運(yùn)動(dòng)等，如圖1-2所示。圖1-1 柔性底盤樣機(jī)Fig.1-1 Sample vehicle of FC

設(shè)計(jì)的承載載荷 Designed bearing loading/（N） 2000.0直行 原地轉(zhuǎn)向 斜行 橫行圖1-2 柔性底盤的四種常見運(yùn)動(dòng)形式Fig.1-2 Four common forms of movement of FC1.3 國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述依據(jù)本文所研究內(nèi)容，對國內(nèi)外溫室作業(yè)動(dòng)力機(jī)械及4WID/4WIS電動(dòng)底盤等相關(guān)領(lǐng)域的研究成果總結(jié)如下。1.3.1 室內(nèi)作業(yè)動(dòng)力機(jī)械的研究綜述關(guān)于室內(nèi)作業(yè)動(dòng)力機(jī)械方面，我國學(xué)者對此進(jìn)行了深入的探討和研究，例如：孫星釗等（1997）研制了大棚用無輪耕耘機(jī)；李達(dá)和朱德清（1999）研究了棚室耕整機(jī)具；應(yīng)義斌等（1997）研究了蔬菜棚室用自走式微型旋耕機(jī)。孟煒等（2009）研制了電動(dòng)松土機(jī)；李彩霞等（2008）研制了滾齒式電動(dòng)松土機(jī)；何偉寧等（2006）研究了溫室電動(dòng)松土機(jī)松土部件的數(shù)學(xué)模型；周舟等（2009）設(shè)計(jì)了移動(dòng)式溫室精準(zhǔn)施肥機(jī)；高輝松等（2012）研制了大棚用電動(dòng)微耕機(jī)；申屠留芳等（2013）設(shè)計(jì)了大棚電動(dòng)自走式撒肥機(jī)；
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S220

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本文編號(hào)：2521609