潛入牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車運(yùn)動(dòng)特性研究

摘 要：潛入牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車與傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)單元和車體剛性連接的結(jié)構(gòu)不同，它是將驅(qū)動(dòng)單元與車體柔性連接，文章構(gòu)建車體與所跟蹤路徑的位姿關(guān)系模型，分析了潛入牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車運(yùn)動(dòng)特性，并對(duì)所建結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示潛入牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車運(yùn)動(dòng)性能穩(wěn)定，證實(shí)了該結(jié)構(gòu)的正確性、可行性。

關(guān)鍵詞：潛入牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車；運(yùn)動(dòng)特性；驅(qū)動(dòng)單元

自動(dòng)引導(dǎo)車多用于自動(dòng)化物流輸送，是一種搬運(yùn)用移動(dòng)機(jī)器人，主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、伺服電動(dòng)機(jī)以及傳感器組成，車體的運(yùn)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)單元提供牽引力[1]。潛入牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車是指將驅(qū)動(dòng)單元與車體柔性連接，通過(guò)簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)提高車體的靈敏性和穩(wěn)定性，同時(shí)也可以極大地降低較大的載荷車體的能耗，相比驅(qū)動(dòng)單元與承載單元?jiǎng)傂赃B接模型、牽引車在拖車前端模型等其他傳統(tǒng)牽引結(jié)構(gòu)，潛入牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車表現(xiàn)出極大優(yōu)勢(shì)，其被認(rèn)為是自動(dòng)導(dǎo)引車未來(lái)的重要發(fā)展方向[2]。文章介紹了潛入牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車的車體模型，分析了車體動(dòng)力特性，并通過(guò)仿真運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證了潛入牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車的可行性。

1 潛入牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車車體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析

2 潛入牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車車體動(dòng)力特性分析

自動(dòng)導(dǎo)引車是一個(gè)比較復(fù)雜的機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)備，要實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)導(dǎo)引車的理想控制僅憑運(yùn)動(dòng)模型遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，同時(shí)還要建立自動(dòng)導(dǎo)引車的動(dòng)力學(xué)模型[4]。潛入牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車車體動(dòng)力特性分析主要涉及到三個(gè)方面，車輪受力、驅(qū)動(dòng)單元受力以及車體動(dòng)力。

自動(dòng)導(dǎo)引車的車輪與地面之間產(chǎn)生的摩擦力為車體提供了驅(qū)動(dòng)力，自動(dòng)導(dǎo)引車驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行等速滾動(dòng)是的受力分析。其中自動(dòng)導(dǎo)引車驅(qū)動(dòng)輪半徑為r，地面提供的支持力為FN1，驅(qū)動(dòng)輪承受的壓力為P1，所受到的阻力為F1，T1表示作用于驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)導(dǎo)引車向前行駛的是作用于地面切向反作用力，F(xiàn)X1。自動(dòng)導(dǎo)引車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)輪滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力教小，可以忽略不計(jì)，根據(jù)平衡條件可以得出公式（7）：FX1r=T1。

當(dāng)車體等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元的受力分析，F(xiàn)X1、FX2分別表示地面對(duì)自動(dòng)導(dǎo)引車左輪、右輪的切向反作用力，F(xiàn)表示自動(dòng)導(dǎo)引車車體對(duì)驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生的作用力，在x1方向上有公式（8）：FX1=FXr=F。

從以上分析可以得到自動(dòng)導(dǎo)引車車體的受力情況，在x軸上分析車體的受力情況可得到公式（9）：Fcos-F1acosδ1-Fracosδ2-Ft1sinδ1-Ftrsinδ2-F1b-Frb=mcax（mc、ax分別表示車體質(zhì)量以及x軸上車體的行駛加速度，F(xiàn)1a、Fra分別表示自動(dòng)導(dǎo)引車左、右前輪受到的滾動(dòng)摩擦力，F(xiàn)t1、Ftr分別表示左、右前輪受到的側(cè)向摩擦力，F(xiàn)1b、Frb分別表示自動(dòng)導(dǎo)引車左、右后輪受到的滾動(dòng)摩擦力）。y軸方向上分析車體的受力情況可得到公式（10）：

3 仿真結(jié)果分析

設(shè)置相關(guān)參數(shù)，B=406mm，L=1140mm，M=386mm，b=595mm。設(shè)定自動(dòng)導(dǎo)引車行駛速度為0.1m/s，讓車體沿橢圓形軌跡運(yùn)動(dòng)。觀察分析車體運(yùn)動(dòng)一周時(shí)θ的變化曲線，并得到δ1、δ2隨著時(shí)間的變化曲線，兩條曲線基本吻合，相比實(shí)驗(yàn)值，由θ得出的δ1的值略大，證明車體運(yùn)動(dòng)彎道的半徑過(guò)小，此時(shí)不屬于純滾動(dòng)。結(jié)果顯示以上構(gòu)建的自動(dòng)導(dǎo)引車運(yùn)動(dòng)模型是正確的。

對(duì)所構(gòu)建的自動(dòng)導(dǎo)引車運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行動(dòng)力特性試驗(yàn)，車體行駛路徑均為向左轉(zhuǎn)向，車體運(yùn)動(dòng)速度為0.5m/s，負(fù)載為100kg。經(jīng)試驗(yàn)證明，在路面狀況較好的情況下，承載輪載荷隨著萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)切角的變化而變化。結(jié)合公式（9）、（10）、（11）可以得到車體角加速度變化。由此可見，自動(dòng)導(dǎo)引車在速度為0.5m/s，負(fù)載為100kg時(shí)可以忽略側(cè)向力，將其視為純滾運(yùn)動(dòng)，只要車體角加速度不超過(guò)一定范圍就可以保證車體的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。所以所構(gòu)建的自動(dòng)導(dǎo)引車運(yùn)動(dòng)模型具有一定可行性。根據(jù)自動(dòng)導(dǎo)引車的車體與左前輪的夾角δ1隨時(shí)間的變化特點(diǎn)得出，當(dāng)δ1的大小不超過(guò)60°時(shí)可以忽略側(cè)向力，此時(shí)可以將車體運(yùn)動(dòng)視為純滾動(dòng)行駛。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章分析了潛入牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車運(yùn)動(dòng)特性，并對(duì)所建結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示潛入牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車運(yùn)動(dòng)性能穩(wěn)定，證實(shí)了該結(jié)構(gòu)的正確性、可行性。同時(shí)確定了可忽略側(cè)向力的條件，即車體的加速度不能過(guò)大，車體與左前輪的夾角δ1不能超過(guò)60°，此時(shí)可以忽略側(cè)向力的影響，自動(dòng)導(dǎo)引車的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較好，可視為純滾動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

[1]武星，樓佩煌，唐敦兵，等.自動(dòng)導(dǎo)引車路徑跟蹤和伺服控制的混合運(yùn)動(dòng)控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（3）：43-48.

[2]錢曉明，吳斌，武星，等.潛入牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車運(yùn)動(dòng)特性分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46（2）：294-300.

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