楊懷彬，張豫南，房 遠，崔 智，董 政

（陸軍裝甲兵學(xué)院兵器控制系，北京 100072）

0 引言

常規(guī)環(huán)境下，全方位平臺運動極其靈活，因此，在醫(yī)療、運輸?shù)确矫嫜芯亢蛻?yīng)用較多［1-3］。但在復(fù)雜環(huán)境下，全方位平臺的運動能力將會受到一定限制。尤其是當平臺出現(xiàn)一個或多個驅(qū)動輪不能良好接地時，不僅會影響其運動性能，還會造成平臺本身不平衡等問題。文獻［4-6］在結(jié)構(gòu)方面的改進，一定程度上提升了全方位平臺的路面適應(yīng)能力，但會增加平臺控制輸入量，同時也增加了平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。

全方位履帶結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)履帶外側(cè)安裝了輥輪結(jié)構(gòu)，增加了運動自由度，且路面適應(yīng)能力較強［7-8］。本文基于該履帶結(jié)構(gòu)，設(shè)計一種新型對稱布局形式全方位平臺。通過結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，在不增加控制輸入量的同時，充分借鑒傳統(tǒng)履帶車輛良好的越障性能來進一步提高全方位平臺的運動性能和環(huán)境適應(yīng)能力。首先，介紹了平臺基本機構(gòu)，并利用Solidworks 軟件和ADAMS 軟件分別建立平臺三維建模和多體動力學(xué)模型。在驗證平臺全方位運動性能基礎(chǔ)上，針對越野環(huán)境下的垂直墻和壕溝等典型障礙和履帶發(fā)生故障兩種復(fù)雜情況，對平臺運動性能進行分析和仿真。

1 平臺建模及全方位運動仿真

1.1 平臺結(jié)構(gòu)與運動學(xué)分析

借鑒傳統(tǒng)履帶車輛良好的越障性能，本文設(shè)計的新型平臺行走機構(gòu)由4 條全方位履帶組成，按照對稱形式分布車體兩側(cè)，如圖1 所示。為了確保平臺具備全方位運動能力，每條履帶均需要利用獨立電驅(qū)動技術(shù)進行控制。平臺主要包括車體、履帶部分、電機及驅(qū)動器、電池等部分。全方位履帶選擇單排輥輪形式，設(shè)有一個驅(qū)動輪、一個隨動輪和簡易懸掛裝置。通過Solidworks 軟件對平臺進行三維建模，完成后導(dǎo)入ADAMS 軟件，針對各部件進行定義屬性、添加約束、施加載荷等步驟，建立平臺虛擬樣機。

圖1 全方位平臺結(jié)構(gòu)圖

通過式（1）可以看出，該新型履帶式全方位平臺滿足全方位運動基本條件，即逆運動學(xué)方程列滿秩。平臺在縱向上具備和傳統(tǒng)履帶車輛類似的運動性能。

1.2 平臺全方位運動仿真

全方位運動主要包括縱向、橫向、中心轉(zhuǎn)向及各類復(fù)合運動等。根據(jù)目標運動，將式（2）中的vy、vx、ωz分別設(shè)置不同值，即可獲得各驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速。本節(jié)主要針對典型全方位運動進行驗證，vy、vx、ωz分別選取（1 0 0）、（0 1 0）、（0 0 1），進行縱向、橫向和中心轉(zhuǎn)向運動仿真。平臺軌跡曲線如圖2 所示，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，該履帶式平臺可以很好地實現(xiàn)全方位運動，在未增加任何輔助機構(gòu)和控制輸入量的情況下能夠達到與傳統(tǒng)輪式全方位平臺相同的運動效果。

圖2 平臺全方位運動軌跡

2 平臺復(fù)雜環(huán)境下仿真驗證

2.1 平臺越垂直墻仿真

本文設(shè)計的履帶式全方位平臺的行走機構(gòu)本質(zhì)上屬于一種特殊的履帶結(jié)構(gòu)，因此，其具備較強的路面適應(yīng)能力。一般情況下，平臺采用縱向運行方式進行越障。野外環(huán)境中，垂直墻類和壕溝類障礙較為常見。本節(jié)主要針對履帶式全方位平臺爬越垂直墻類障礙進行對比分析和仿真驗證。

傳統(tǒng)履帶平臺爬越垂直墻的高度一般為［10］：

其中，H 為垂直墻高度，L0為平臺重心與驅(qū)動輪軸心的縱向距離，h 為平臺重心與驅(qū)動輪軸心的高度差，hd為負重輪行程，hg為重心高度，R 為驅(qū)動輪半徑，γ 為平臺傾斜角度。通過測量可得本文平臺各參數(shù)如下：L0=350 mm，h=1.14 mm，hd=0 mm，hg=146.1 mm，R=145 mm（包括外側(cè)輥輪），γ=30°，代入式（3）得平臺可爬越垂直墻高度約為152 mm。

選取150 mm 和160 mm 兩種不同高度的垂直墻障礙作為仿真對象，二者均高于驅(qū)動輪軸心與地面的垂直距離。仿真過程中，履帶驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速給定分別為5 rad/s 和10 rad/s。主要目的是觀察不同高度和不同速度對平臺爬越垂直墻的影響效果，仿真結(jié)果如圖3 所示。圖3（a）～（c）分別為平臺爬越垂直墻的起始、爬越和完成階段。圖3（d）為平臺爬越過程中重心軌跡曲線，其中曲線①表示驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速給定10 rad/s，爬越160 mm 垂直墻情況下平臺重心軌跡；曲線②表示驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速給定5 rad/s，爬越150 mm 垂直墻情況下平臺重心軌跡；曲線③表示驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速給定5 rad/s，爬越160 mm 垂直墻情況下平臺重心軌跡。通過仿真可以看出，履帶式全方位平臺在不同速度情況下均成功跨越150 mm 和160 mm 兩種不同高度的垂直墻障礙。從平臺爬越過程中重心軌跡曲線可以看出，在起始階段平臺會發(fā)生一定程度的滑轉(zhuǎn)；在完成階段平臺重心越過垂直墻后出現(xiàn)了一定波動，而后平穩(wěn)運行。仿真中平臺懸掛部分設(shè)置為硬連接，在一定程度上也增加了平臺重心的波動。仿真結(jié)果表明，履帶式全方位平臺具備和傳統(tǒng)履帶平臺類似的爬越垂直墻能力，但速度對于平臺爬越能力和重心波動幅度影響較大。

2.2 平臺越壕溝仿真

越野環(huán)境中壕溝類障礙兩側(cè)一般為緩坡狀態(tài)，接觸面比較平滑，但一些惡劣情況下壕溝兩側(cè)則比較陡峭。本節(jié)仿真工況選擇垂直接觸面壕溝，且兩側(cè)不可變形。平臺履帶接地長為700 mm，故將壕溝寬度選為350 mm 和465 mm 兩種。設(shè)置相同速度情況下，對兩種壕溝分別進行仿真，平臺重心運動軌跡如圖4 所示。

圖3 平臺越垂直墻過程及重心軌跡

圖4 平臺重心運動軌跡

通過仿真結(jié)果可以看出，平臺順利跨越兩種壕溝。但隨著壕溝寬度的增加，平臺跨越壕溝后重心運動軌跡波動逐漸劇烈。如圖4（a）所示，跨越350 mm 壕溝，平臺重心未離開壕溝后側(cè)壁面時履帶前側(cè)剛好接觸壕溝前側(cè)壁面，平臺位姿沒有發(fā)生向下傾斜，跨越壕溝后重心軌跡較為平穩(wěn)。如圖4（b）所示，跨越465 mm 壕溝時，平臺位姿出現(xiàn)一定程度向下傾斜，跨越壕溝后重心軌跡明顯起伏。壕溝寬度繼續(xù)增加，會使平臺位姿出現(xiàn)較大程度向下傾斜，跨越壕溝后重心軌跡起伏更加劇烈，可能會發(fā)生掉入壕溝的危險。并且當壕溝寬度增加后，平臺履帶前側(cè)接觸壕溝前壁時碰撞更加劇烈，會增加履帶及輥輪的損壞風險，在高速情況下風險更大。此外，本文設(shè)計的履帶式全方位平臺未加裝機械臂等外部設(shè)備，重心較低，一定速度情況下能通過較寬壕溝，但實際行駛過程中應(yīng)低速通過壕溝，且避免跨越較寬的壕溝。

2.3 平臺故障情況下運動仿真

本文設(shè)計的履帶式全方位平臺在本質(zhì)上屬于履帶車輛，在行駛過程中可能會出現(xiàn)脫帶或斷帶情況。平臺利用多電機驅(qū)動控制，在行駛過程中可能出現(xiàn)電機或驅(qū)動系統(tǒng)損壞情況。以上兩種常見故障，都會導(dǎo)致平臺某條履帶或多條履帶失去驅(qū)動能力，出現(xiàn)隨動或脫落情況。結(jié)合圖1 所示各履帶位置，分析平臺驅(qū)動履帶數(shù)量與對應(yīng)運動性能可知，當一條履帶發(fā)生故障時，平臺仍能實現(xiàn)全方位運動性能。不同側(cè)的某兩條履帶同時發(fā)生故障時，平臺也能自身保持平衡，并具備一定的運動能力。

圖5 履帶3 故障情況下平臺運動軌跡

本節(jié)以履帶3 發(fā)生故障而處于隨動狀態(tài)為例，對平臺全方位運動性能進行仿真。將履帶3 驅(qū)動輪速度設(shè)置為0，處于隨動狀態(tài)，其余履帶按照1.2 節(jié)中參數(shù)設(shè)置速度不變。該情況下，履帶3 處于隨動狀態(tài)，隨著平臺的移動也會產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)動，而非完全的滑動。平臺運動軌跡曲線如圖5 所示。圖中紅色曲線①表示平臺所有履帶均為正常狀態(tài)下的運動軌跡，藍色曲線②表示平臺履帶3 故障狀態(tài)下的運動軌跡。

通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在履帶3 隨動狀態(tài)下，平臺具備全方位運動能力。平臺縱向、橫向運動基本能夠完成，但運動軌跡會出現(xiàn)一定偏移；中心轉(zhuǎn)向時的運動半徑明顯變大，運動軌跡發(fā)生了較大偏移。平臺運動軌跡出現(xiàn)偏移，主要是由于履帶3的隨動狀態(tài)造成摩擦力矩具有很大隨機性，且未實施有效反饋控制導(dǎo)致的。總體來說，當某一履帶發(fā)生故障處于隨動狀態(tài)時，平臺仍具有較好實現(xiàn)全方位運動的可能性?？梢钥闯銎脚_的故障適應(yīng)能力很強，后期可通過故障檢測、智能控制等綜合算法進行軌跡調(diào)整完成全方位運動。

3 結(jié)論

本文基于全方位履帶結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新性地設(shè)計了一種新型對稱式全方位平臺。利用ADMAS 建立平臺多體動力學(xué)模型，針對平臺的全方位運動性能和復(fù)雜環(huán)境下運動性能進行分析與仿真，驗證了平臺良好的路面環(huán)境適應(yīng)能力和故障適應(yīng)能力。結(jié)論如下：1）平臺具備良好的全方位運動能力；2）平臺具備和傳統(tǒng)履帶平臺類似的越垂直墻、越壕溝能力；3）平臺在某條履帶發(fā)生故障情況下，仍具備實現(xiàn)全方位運動的能力。