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(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

自動(dòng)尋跡車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真分析

王信信，高文中，馮蕭

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

設(shè)計(jì)了自動(dòng)尋跡車的主要機(jī)構(gòu)，用Pro/E軟件建立了各機(jī)構(gòu)和整車三維實(shí)體模型及運(yùn)動(dòng)仿真模型，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，生成了車輪中心位置的軌跡曲線，對(duì)尋跡車進(jìn)行全局碰撞仿真檢測，結(jié)果表明：尋跡車運(yùn)行平穩(wěn)，無干涉現(xiàn)象。對(duì)車輪進(jìn)行速度測量時(shí)，發(fā)現(xiàn)尋跡車右轉(zhuǎn)彎速度高于左轉(zhuǎn)彎速度。實(shí)車中、高速試驗(yàn)時(shí)，右轉(zhuǎn)彎易偏離軌道。對(duì)此提出了速度控制策略，通過硬、軟件結(jié)合，解決了左、右轉(zhuǎn)彎速度不等的問題，樣機(jī)試驗(yàn)表明，尋跡車在直行、起伏路面、坡道和轉(zhuǎn)彎時(shí)，運(yùn)行平穩(wěn)，工作可靠。

自動(dòng)尋跡車；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)仿真；軌跡曲線；控制策略

0 引言

自動(dòng)尋跡車是指安裝有光學(xué)或電磁等自動(dòng)導(dǎo)引裝置,具有安全避障并能沿預(yù)定軌跡行駛的運(yùn)輸車。自動(dòng)尋跡車不僅可以用于生產(chǎn)車間或倉庫的零部件運(yùn)輸，也可完成一些危險(xiǎn)環(huán)境下某些危險(xiǎn)品的運(yùn)輸工作，對(duì)提高現(xiàn)代化工廠物料運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化程度和生產(chǎn)效率具有重要意義[1-2]?，F(xiàn)提出一種后輪單邊驅(qū)動(dòng)，前輪單邊轉(zhuǎn)向的尋跡車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。對(duì)尋跡車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、底盤等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用Pro/E 5.0軟件建立了各機(jī)構(gòu)及整車三維實(shí)體模型和運(yùn)動(dòng)仿真模型，并對(duì)尋跡車進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，驗(yàn)證了尋跡車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性。同時(shí)在仿真中發(fā)現(xiàn)了右轉(zhuǎn)彎速度高于左彎速度的問題，在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，中、高速右轉(zhuǎn)彎易偏離軌道。對(duì)此提出了速度控制策略，通過硬、軟件結(jié)合，解決了左、右轉(zhuǎn)彎速度不等的問題，樣機(jī)試驗(yàn)表明，尋跡車在直行、起伏路面、坡道和轉(zhuǎn)彎時(shí)，運(yùn)行平穩(wěn)，工作可靠，驗(yàn)證了控制策略的正確性。

1 自動(dòng)尋跡車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

尋跡車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、底盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.1尋跡車機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

按照驅(qū)動(dòng)方式劃分，主要有：單舵輪驅(qū)動(dòng)式、差速驅(qū)動(dòng)式、雙舵輪驅(qū)動(dòng)式、多舵輪驅(qū)動(dòng)式[3]。單舵輪驅(qū)動(dòng)式主要用于三輪車型：一個(gè)舵輪，兩個(gè)從動(dòng)定向輪。其中舵輪具有驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的功能。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：用途廣泛，對(duì)地面平整度要求不高。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)向時(shí)穩(wěn)定性差。差速驅(qū)動(dòng)主要用于三輪或四輪車型：兩個(gè)固定驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)或兩個(gè)從動(dòng)萬向輪，靠兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：全方位轉(zhuǎn)向，有較強(qiáng)的靈活性。缺點(diǎn)：控制算法較復(fù)雜，對(duì)地面的平整度要求較高。雙舵輪驅(qū)動(dòng)主要用于四輪車型：兩個(gè)舵輪，兩個(gè)從動(dòng)萬向輪。其中舵輪具有驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的功能。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：全方位轉(zhuǎn)向，有很強(qiáng)的靈活性。缺點(diǎn)：控制算法復(fù)雜，對(duì)地面的平整度要求較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維修成本高。多舵輪驅(qū)動(dòng)用于多輪重載車型，運(yùn)動(dòng)模型較復(fù)雜。

鑒于以上幾種機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到設(shè)計(jì)的自動(dòng)尋跡車采用光電導(dǎo)引，軌道鋪設(shè)在車體中間位置的正下方，若采用三輪車型或四輪菱形車型中間輪正好在軌道紙上行駛，對(duì)軌道造成污染和破壞，由于本尋跡車的載重量不超過70 kg，轉(zhuǎn)向允許半徑較大，導(dǎo)引定位精度和總體工作要求不是很苛刻，又考慮到制造和維修成本低，研發(fā)周期短等多方面因素，最終設(shè)計(jì)了如圖1所示的后輪單邊驅(qū)動(dòng)，前輪單邊轉(zhuǎn)向的尋跡車機(jī)構(gòu)方案。

1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)構(gòu)模型的建立

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由驅(qū)動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、鏈輪、鏈條等組成。根據(jù)各組成部分的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝尺寸，建立了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)模型如圖2所示。

圖1 尋跡車機(jī)構(gòu)方案示意圖

圖2 尋跡車機(jī)構(gòu)模型圖

1.3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)構(gòu)模型的建立

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)、微型減速器、微型聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)向輪等組成。根據(jù)各組成部分的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝尺寸，建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)模型如圖2所示。

1.4制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)構(gòu)模型的建立

制動(dòng)系統(tǒng)由電磁制動(dòng)器、制動(dòng)皮帶、驅(qū)動(dòng)輪、定向輪等組成。根據(jù)各組成部分的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝尺寸，建立了制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)模型如圖2所示。

1.5底盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)構(gòu)模型的建立

底盤是用來固定尋跡車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、車身、輔助輪、蓄電池等。尋跡車的后輪都是定向的，前輪都是萬向的。根據(jù)各組成部分的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝尺寸，建立了底盤機(jī)構(gòu)模型如圖2所示。

1.6建立整車模型

圖3 尋跡車整車模型圖

將尋跡車的各主要機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)模型組裝構(gòu)成整車模型，整車模型如圖3所示。其中控制柜里安裝PLC控制器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、接線端子排、控制電路板、變壓模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏、急停按鈕、電源開關(guān)、報(bào)警裝置等。

2 尋跡車機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

運(yùn)動(dòng)仿真是使用Pro/E機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)功能創(chuàng)建機(jī)構(gòu)，定義尋跡車的特定運(yùn)動(dòng)副，創(chuàng)建使其能夠運(yùn)動(dòng)的伺服電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬。為了達(dá)到尋跡車真實(shí)的運(yùn)動(dòng)模擬，對(duì)尋跡車進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，就是在相應(yīng)機(jī)構(gòu)上定義重力、阻尼等特征，對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)置材料、密度等基本屬性特征，使其更加接近現(xiàn)實(shí)的機(jī)構(gòu)[4]。

2.1創(chuàng)建尋跡車運(yùn)動(dòng)模型

將基礎(chǔ)元件定義為剛性連接。驅(qū)動(dòng)輪、定向輪與固定支架軸定義為銷釘連接。轉(zhuǎn)向輪、萬向輪與活動(dòng)支架軸定義為銷釘連接，活動(dòng)支架與固定板定義為銷釘連接。尋跡車車體與路面定義為6DOF連接，各個(gè)車輪與路面定義為凸輪連接，根據(jù)尋跡車的工作原理，尋跡車沿著路面上鋪設(shè)的軌道行駛，因此在軌道的正中間位置的上方草繪了一條曲線，在尋跡車的底盤幾何中心線上建立了兩個(gè)點(diǎn)，這兩個(gè)點(diǎn)與曲線定義為槽連接。在裝配完成后對(duì)尋跡車模型進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查，一切都準(zhǔn)確無誤后完成尋跡車運(yùn)動(dòng)模型的創(chuàng)建。

2.2仿真過程和仿真結(jié)果分析

對(duì)尋跡車的各個(gè)零部件設(shè)置了質(zhì)量屬性并在車斗內(nèi)放置了一個(gè)重物，來模擬尋跡車的車體和負(fù)載的質(zhì)量，整車的質(zhì)量約為120 kg，并且定義了重力方向(垂直于路面向下)。通過車輪與地面建立的凸輪連接關(guān)系，車輪與地面的摩擦力使得尋跡車行走。車輪是尼龍車輪，路面是水泥路面，通過查閱相關(guān)資料，車輪與地面的凸輪連接參數(shù)：恢復(fù)系數(shù)e=0.1，靜摩擦系數(shù)μs=0.25，動(dòng)摩擦系數(shù)μk=0.2。在驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸上添加旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向軸上添加旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)[5]。

尋跡車有低速、中速、高速3個(gè)擋位，低速擋驅(qū)動(dòng)輪的角速度是318.3deg/s，實(shí)際速度是1km/h，中速擋驅(qū)動(dòng)輪的角速度是795.8deg/s，實(shí)際速度是2.5km/h，高速擋驅(qū)動(dòng)輪的角速度是1 273.2deg/s，實(shí)際速度是4km/h。

2.2.1 在路面上直行的運(yùn)動(dòng)仿真

定義驅(qū)動(dòng)輪伺服電動(dòng)機(jī)的角速度是318.3deg/s，此時(shí)的速度是尋跡車的低速擋。定義轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向軸伺服電動(dòng)機(jī)的角速度是0deg/s，并且鎖定轉(zhuǎn)向軸。仿真分析類型定義為動(dòng)態(tài)分析。對(duì)驅(qū)動(dòng)輪和定向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行速度測量，測量結(jié)果如圖4所示。從測量值上可以看出定向輪與驅(qū)動(dòng)輪的角速度值非常接近，說明尋跡車直行運(yùn)動(dòng)很穩(wěn)定，符合實(shí)際情況，同時(shí)也說明了仿真設(shè)置的正確性。

定義驅(qū)動(dòng)輪伺服電動(dòng)機(jī)的角速度是1 273.2deg/s，此時(shí)是尋跡車行走的最高速度，轉(zhuǎn)向輪的設(shè)置不變。以每個(gè)車輪的軸心作為軌跡跟蹤點(diǎn)，生成車輪中心的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，觀察尋跡車行走的穩(wěn)定性。仿真分析類型定義為動(dòng)態(tài)分析，通過回放功能對(duì)尋跡車進(jìn)行全局碰撞檢測，結(jié)果表明整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中無干涉現(xiàn)象，尋跡車直行運(yùn)動(dòng)仿真的軌跡曲線如圖5所示。從圖5可以看出，尋跡車在直行運(yùn)動(dòng)過程中，4個(gè)車輪運(yùn)動(dòng)軌跡曲線波動(dòng)很小，接近于直線，仿真結(jié)果表明尋跡車在路面上可以正常行走并且運(yùn)行穩(wěn)定。

圖4 尋跡車直行運(yùn)動(dòng)仿真車輪速度測量值

圖5 尋跡車直行運(yùn)動(dòng)仿真軌跡曲線

2.2.2 在路面上左轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)仿真

定義驅(qū)動(dòng)輪伺服電動(dòng)機(jī)的角速度是318.3 deg/s，轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向軸伺服電動(dòng)機(jī)的角速度是28 deg/s，方向是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。仿真分析類型定義為動(dòng)態(tài)分析，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪和定向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行速度測量，測量結(jié)果如圖6所示。驅(qū)動(dòng)輪的速度是318.3 deg/s，定向輪的速度約是182 deg/s。尋跡車在左轉(zhuǎn)彎時(shí)定向輪在軌道的內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑小，驅(qū)動(dòng)輪在軌道的外側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑大，測量的速度值符合實(shí)際情況。測量的速度值浮動(dòng)很小，近似直線，說明尋跡車左轉(zhuǎn)彎時(shí)速度很穩(wěn)定，同時(shí)也說明了仿真設(shè)置的正確性。

定義驅(qū)動(dòng)輪伺服電動(dòng)機(jī)的角速度是1 273.2 deg/s，轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向軸伺服電動(dòng)機(jī)的角速度是111.1 deg/s，轉(zhuǎn)彎開始時(shí)前0.45 s，轉(zhuǎn)動(dòng)方向是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，后0.45 s，轉(zhuǎn)動(dòng)方向是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。仿真分析類型定義為動(dòng)態(tài)分析，通過回放功能對(duì)尋跡車進(jìn)行全局碰撞檢測，結(jié)果表明整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中無干涉現(xiàn)象，尋跡車左轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)仿真的軌跡曲線如圖7所示。從圖7可以看出，尋跡車在左轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)過程中，4個(gè)車輪運(yùn)動(dòng)軌跡曲線波動(dòng)很小，非常平滑，沒有出現(xiàn)側(cè)移現(xiàn)象，仿真結(jié)果表明尋跡車在最高速度時(shí)可以正常左轉(zhuǎn)彎并且運(yùn)行穩(wěn)定。

圖6 尋跡車左轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)仿真車輪速度測量值

圖7 尋跡車左轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)仿真軌跡曲線

2.2.3 在路面上右轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)仿真

定義驅(qū)動(dòng)輪伺服電動(dòng)機(jī)的角速度是318.3 deg/s，轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向軸伺服電動(dòng)機(jī)的角速度是48 deg/s，方向是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。仿真分析類型定義為動(dòng)態(tài)分析。對(duì)驅(qū)動(dòng)輪和定向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行速度測量，測量結(jié)果如圖8所示。驅(qū)動(dòng)輪的速度是318.3 deg/s，定向輪的速度是497.5 deg/s。尋跡車在右轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)輪在軌道的內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑小，定向輪在軌道的外側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑大，測量的速度值符合實(shí)際情況。測量的速度值浮動(dòng)很小，近似直線，說明尋跡車右轉(zhuǎn)彎時(shí)速度很穩(wěn)定，同時(shí)也說明了仿真設(shè)置的正確性。

定義驅(qū)動(dòng)輪伺服電動(dòng)機(jī)的角速度是1 273.2 deg/s，轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向軸伺服電動(dòng)機(jī)的角速度192.3 deg/s，轉(zhuǎn)彎開始時(shí)前0.26 s，轉(zhuǎn)動(dòng)方向是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，后0.26 s，轉(zhuǎn)動(dòng)方向是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。仿真分析類型定義為動(dòng)態(tài)分析，通過回放功能對(duì)尋跡車進(jìn)行全局碰撞檢測，結(jié)果表明整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中無干涉現(xiàn)象，尋跡車右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)仿真的軌跡曲線如圖9所示。從圖9可以看出，尋跡車在右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)過程中，4個(gè)車輪運(yùn)動(dòng)軌跡曲線波動(dòng)很小，非常平滑，沒有出現(xiàn)側(cè)移現(xiàn)象，仿真結(jié)果表明尋跡車在最高速度時(shí)可以正常右轉(zhuǎn)彎并且運(yùn)行穩(wěn)定。但是在實(shí)際試驗(yàn)測試中，由于車速太快，尋跡傳感器來不急對(duì)軌道進(jìn)行識(shí)別，造成尋跡車容易失去控制，偏離軌道。

圖8 尋跡車右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)仿真車輪速度測量值

圖9 尋跡車右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)仿真軌跡曲線

2.2.4 在坡度為14%的普通路面上的運(yùn)動(dòng)仿真

將尋跡車與路面的槽連接改為尋跡車車體中心平面與軌道中心平面對(duì)齊的平面連接，其余連接類型不變。14%的路面坡度換算為角度值：arctan0.14=8°，即地面與水平面的夾角為8°。定義驅(qū)動(dòng)輪伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度是1 145.9 deg/s，尋跡車實(shí)際行走的速度是3.6 km/h，在此速度情況下，觀察尋跡車在爬坡時(shí)的運(yùn)行狀況。定義轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向軸伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度是0 deg/s，并且鎖定轉(zhuǎn)向軸。仿真分析類型定義為動(dòng)態(tài)分析，通過回放功能對(duì)尋跡車進(jìn)行全局碰撞檢測，結(jié)果表明整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中無干涉現(xiàn)象，尋跡車爬坡運(yùn)動(dòng)仿真的軌跡曲線如圖10所示。從圖10可以看出，尋跡車在爬坡過程中，4個(gè)車輪運(yùn)動(dòng)的軌跡曲線都比較平滑，波動(dòng)較小，沒有出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象，仿真結(jié)果表明尋跡車在坡度為14%的普通路面上爬坡時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖10 尋跡車爬坡及在起伏路面上運(yùn)動(dòng)仿真的軌跡曲線

2.2.5 在起伏路面上的運(yùn)動(dòng)仿真

方案(5)與方案(4)的連接類型相同。為了模擬尋跡車在復(fù)雜路面上運(yùn)行的情況，設(shè)計(jì)了起伏路面：凹坑深度為50 mm，與車輪半徑相等，凹坑斜面與水平面的夾角為8°；設(shè)計(jì)凸起路面的高度為50 mm，凸起斜面與水平面的夾角為10°。仿真設(shè)置與方案(4)相同，仿真結(jié)果表明整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中無干涉現(xiàn)象，尋跡車在起伏路面上運(yùn)動(dòng)仿真的軌跡曲線如圖10所示。從圖10可以看出，尋跡車在行走過程中，無論是過凹坑還是過凸起路面，4個(gè)車輪運(yùn)動(dòng)的軌跡曲線都比較平滑，波動(dòng)較小，沒有出現(xiàn)明顯的跳躍現(xiàn)象，仿真結(jié)果表明尋跡車在起伏路面上運(yùn)行穩(wěn)定。

2.3仿真結(jié)論

從仿真的結(jié)果可以看出，在各種路況中行走時(shí)，均無干涉現(xiàn)象，驗(yàn)證了尋跡車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。通過觀察尋跡車在各種路況中運(yùn)動(dòng)的軌跡曲線，都比較平滑，波動(dòng)較小，驗(yàn)證了尋跡車運(yùn)行的穩(wěn)定性。存在的問題：尋跡車右轉(zhuǎn)彎的速度高于左轉(zhuǎn)彎的速度。

3 尋跡車速度控制策略

在實(shí)際測試試驗(yàn)中，尋跡車左轉(zhuǎn)彎時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪在軌道的外側(cè)，轉(zhuǎn)彎半徑大，無論是哪個(gè)速度擋位，都能平穩(wěn)地轉(zhuǎn)彎。尋跡車右轉(zhuǎn)彎時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪在軌道的內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)彎半徑小，低速擋能較平穩(wěn)地轉(zhuǎn)彎，中、高速擋不能平穩(wěn)地轉(zhuǎn)彎，尋跡車容易失去控制偏離軌道。為了保證尋跡車轉(zhuǎn)彎時(shí)的快速性和平穩(wěn)性，設(shè)計(jì)一種速度控制策略：左彎轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)輪按設(shè)定的速度擋位運(yùn)行，右轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)輪按設(shè)定的速度擋位進(jìn)行降速運(yùn)行，使得右轉(zhuǎn)彎速度與左轉(zhuǎn)彎速度相等。如：在運(yùn)動(dòng)仿真過程中，尋跡車低速擋左轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪速度設(shè)置為1 km/h，測量的定向輪速度約為0.57 km/h。尋跡車低速擋右轉(zhuǎn)時(shí)，將驅(qū)動(dòng)輪速度設(shè)置為0.57 km/h，測量的定向輪速度約為1 km/h，這樣就能保證左、右轉(zhuǎn)彎速度相等。通過運(yùn)動(dòng)仿真測量的速度數(shù)據(jù)來設(shè)置轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)輪速度，驅(qū)動(dòng)輪速度控制如表1所示。通過控制系統(tǒng)硬、軟件結(jié)合，解決左、右轉(zhuǎn)彎速度不相等的問題。

表1 驅(qū)動(dòng)輪速度控制表 km/h

圖11 硬件設(shè)計(jì)框圖

4 尋跡車控制系統(tǒng)硬、軟件設(shè)計(jì)

4.1硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括：控制器、觸摸屏的選擇及相關(guān)電路設(shè)計(jì)，尋跡模塊、測速模塊、障礙檢測模塊、轉(zhuǎn)向模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、制動(dòng)模塊、供電模塊的設(shè)計(jì)，自動(dòng)尋跡車控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖11所示。

自動(dòng)尋跡車以PLC為控制器，采用觸摸屏操作和顯示監(jiān)控信息。尋跡傳感器獲取軌道信息并送到PLC中，PLC運(yùn)算后發(fā)出控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器中，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向傳感器獲取轉(zhuǎn)向信息，送到PLC中判斷轉(zhuǎn)向輪是否轉(zhuǎn)到預(yù)定位置。與此同時(shí)，PLC發(fā)出控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器中，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過鏈輪鏈條帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，測速傳感器獲取驅(qū)動(dòng)輪速度信息，送到PLC中判斷是否達(dá)到設(shè)定的速度。當(dāng)尋跡車轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)向傳感器首先會(huì)判斷轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向，如果是左轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)輪會(huì)按照原先設(shè)定的速度擋位行走。如果是右轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)輪會(huì)按照表1中的速度行走。

4.2軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括：自動(dòng)尋跡、自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、站臺(tái)?？?、避障、報(bào)警、觸摸屏控制等功能的軟件程序設(shè)計(jì)以及通過軟件程序解決尋跡車左、右轉(zhuǎn)彎速度不相等的問題，使得尋跡車運(yùn)行平穩(wěn)。速度控制流程圖如圖12所示。

圖12 速度控制流程圖

5 樣機(jī)試制及試驗(yàn)測試

圖13 尋跡車樣機(jī)

試制的尋跡車樣機(jī)如圖13所示。經(jīng)試驗(yàn)測試，尋跡車在低、中、高速擋左轉(zhuǎn)彎時(shí)，運(yùn)行平穩(wěn)，在低速擋右轉(zhuǎn)彎時(shí)，運(yùn)行比較平穩(wěn)，在中、高速擋右轉(zhuǎn)時(shí)，運(yùn)行不平穩(wěn)，容易失去控制，偏離軌道。將速度控制策略應(yīng)用到尋跡車中，經(jīng)試驗(yàn)測試，尋跡車在直行、起伏路面、坡道和轉(zhuǎn)彎時(shí)，運(yùn)行平穩(wěn)，彎道上沒有出現(xiàn)誤動(dòng)作。尋跡車在左、右轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過光電傳感器測量的驅(qū)動(dòng)輪和定向輪的速度如表2所示，從表2中數(shù)據(jù)可以看出，左、右轉(zhuǎn)彎的速度基本相等。表2中的試驗(yàn)測試速度數(shù)據(jù)與表1中的仿真計(jì)算速度數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了通過運(yùn)動(dòng)仿真測量的速度數(shù)據(jù)來設(shè)置轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)輪速度的可行性，同時(shí)也驗(yàn)證了仿真的正確性。 兩者速度數(shù)據(jù)存在差異的原因：建立的尋跡車三維模型與實(shí)車樣機(jī)存在差異；進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，車體運(yùn)動(dòng)與實(shí)車樣機(jī)運(yùn)行存在差異，而且條件比較理想化，考慮的因素較少(如路面的平整度以及摩擦力可能是變化的)，與實(shí)際試驗(yàn)時(shí)的條件存在差異；實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，光電傳感器的安裝誤差以及測量精度等。

表2 驅(qū)動(dòng)輪、定向輪速度測量表 km/h

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了自動(dòng)尋跡車的機(jī)構(gòu)方案及各主要機(jī)構(gòu)，建立了尋跡車的三維實(shí)體模型及運(yùn)動(dòng)仿真模型。進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析，從仿真的結(jié)果可看出，尋跡車在各種路況中運(yùn)行平穩(wěn)，無干涉現(xiàn)象，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，但發(fā)現(xiàn)了右轉(zhuǎn)彎的速度比左轉(zhuǎn)彎的速度高。實(shí)車中、高速試驗(yàn)時(shí)，右轉(zhuǎn)彎易偏離軌道。對(duì)此提出了速度控制策略，通過硬、軟件設(shè)計(jì)解決了左、右轉(zhuǎn)速度不等的問題。通過樣機(jī)試驗(yàn)表明，尋跡車在直行、起伏路面、坡道和轉(zhuǎn)彎時(shí)，運(yùn)行平穩(wěn)，工作可靠。經(jīng)工程訓(xùn)練中心現(xiàn)代加工車間試用，控制效果良好。

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MechanismDesignandMotionSimulationAnalysisofAuto-track-searchingVehicle

WangXinxin,GaoWenzhong,FengXiao

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

The main mechanism of Auto-track-searching vehicle was designed, using Pro/E software to establish three-dimensional entity model and motion simulation model of various parts as well as the vehicle. The motion simulation analysis was carried out, locus curves of the center position of wheels were generated, and the global collision simulation test of the vehicle was carried out. The results showed that the track vehicle ran smoothly, and there was no interference phenomenon. When the wheels speed were measured, it was found that the track vehicle turn-right speed was higher than turn-left. When real vehicle was tested at medium and high speed, it deviated easily from track when turning right, thus speed control strategy was proposed. The problem was solved through combination of hardware and software, and the prototype experiment showed that track vehicle ran smoothly and reliably in the straight line, over ups and downs, and at ramps and turns.

auto-searching for track vehicle;mechanism design;motion simulation;locus curves;control strategy

H113.2

： A

： 2095-0373(2017)03-0081-08

2016-05-18責(zé)任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.03.16

王信信(1989-), 男,碩士研究生,主要從事機(jī)電一體化的研究。E-mail: 799211015@qq.com 王信信，高文中，馮蕭.自動(dòng)尋跡車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(3):81-88.