復(fù)雜環(huán)境下全方位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能分析與仿真*

楊懷彬，張?jiān)ツ?，?遠(yuǎn)，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(tái)運(yùn)動(dòng)極其靈活，因此，在醫(yī)療、運(yùn)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(tái)的運(yùn)動(dòng)能力將會(huì)受到一定限制。尤其是當(dāng)平臺(tái)出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)輪不能良好接地時(shí)，不僅會(huì)影響其運(yùn)動(dòng)性能，還會(huì)造成平臺(tái)本身不平衡等問題。文獻(xiàn)［4-6］在結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)，一定程度上提升了全方位平臺(tái)的路面適應(yīng)能力，但會(huì)增加平臺(tái)控制輸入量，同時(shí)也增加了平臺(tái)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(yùn)動(dòng)自由度，且路面適應(yīng)能力較強(qiáng)［7-8］。本文基于該履帶結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種新型對(duì)稱布局形式全方位平臺(tái)。通過結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，在不增加控制輸入量的同時(shí)，充分借鑒傳統(tǒng)履帶車輛良好的越障性能來進(jìn)一步提高全方位平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能和環(huán)境適應(yīng)能力。首先，介紹了平臺(tái)基本機(jī)構(gòu)，并利用Solidworks 軟件和ADAMS 軟件分別建立平臺(tái)三維建模和多體動(dòng)力學(xué)模型。在驗(yàn)證平臺(tái)全方位運(yùn)動(dòng)性能基礎(chǔ)上，針對(duì)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(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行分析和仿真。

1 平臺(tái)建模及全方位運(yùn)動(dòng)仿真

1.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)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(jì)的新型平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)由4 條全方位履帶組成，按照對(duì)稱形式分布車體兩側(cè)，如圖1 所示。為了確保平臺(tái)具備全方位運(yùn)動(dòng)能力，每條履帶均需要利用獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行控制。平臺(tái)主要包括車體、履帶部分、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、電池等部分。全方位履帶選擇單排輥輪形式，設(shè)有一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、一個(gè)隨動(dòng)輪和簡易懸掛裝置。通過Solidworks 軟件對(duì)平臺(tái)進(jìn)行三維建模，完成后導(dǎo)入ADAMS 軟件，針對(duì)各部件進(jìn)行定義屬性、添加約束、施加載荷等步驟，建立平臺(tái)虛擬樣機(jī)。

圖1 全方位平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

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

1.2 平臺(tái)全方位運(yùn)動(dòng)仿真

全方位運(yùn)動(dòng)主要包括縱向、橫向、中心轉(zhuǎn)向及各類復(fù)合運(yùn)動(dòng)等。根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，將式（2）中的vy、vx、ωz分別設(shè)置不同值，即可獲得各驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速。本節(jié)主要針對(duì)典型全方位運(yùn)動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證，vy、vx、ωz分別選?。? 0 0）、（0 1 0）、（0 0 1），進(jìn)行縱向、橫向和中心轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)仿真。平臺(tái)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(tái)可以很好地實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)，在未增加任何輔助機(jī)構(gòu)和控制輸入量的情況下能夠達(dá)到與傳統(tǒng)輪式全方位平臺(tái)相同的運(yùn)動(dòng)效果。

圖2 平臺(tái)全方位運(yùn)動(dòng)軌跡

2 平臺(tái)復(fù)雜環(huán)境下仿真驗(yàn)證

2.1 平臺(tái)越垂直墻仿真

本文設(shè)計(jì)的履帶式全方位平臺(tái)的行走機(jī)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(qiáng)的路面適應(yīng)能力。一般情況下，平臺(tái)采用縱向運(yùn)行方式進(jìn)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(duì)履帶式全方位平臺(tái)爬越垂直墻類障礙進(jìn)行對(duì)比分析和仿真驗(yàn)證。

傳統(tǒng)履帶平臺(tái)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(tái)重心與驅(qū)動(dòng)輪軸心的縱向距離，h 為平臺(tái)重心與驅(qū)動(dòng)輪軸心的高度差，hd為負(fù)重輪行程，hg為重心高度，R 為驅(qū)動(dòng)輪半徑，γ 為平臺(tái)傾斜角度。通過測(cè)量可得本文平臺(tái)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(tái)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(duì)象，二者均高于驅(qū)動(dòng)輪軸心與地面的垂直距離。仿真過程中，履帶驅(qū)動(dòng)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(duì)平臺(tái)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(tái)爬越垂直墻的起始、爬越和完成階段。圖3（d）為平臺(tái)爬越過程中重心軌跡曲線，其中曲線①表示驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速給定10 rad/s，爬越160 mm 垂直墻情況下平臺(tái)重心軌跡；曲線②表示驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速給定5 rad/s，爬越150 mm 垂直墻情況下平臺(tái)重心軌跡；曲線③表示驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速給定5 rad/s，爬越160 mm 垂直墻情況下平臺(tái)重心軌跡。通過仿真可以看出，履帶式全方位平臺(tái)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(tái)爬越過程中重心軌跡曲線可以看出，在起始階段平臺(tái)會(huì)發(fā)生一定程度的滑轉(zhuǎn)；在完成階段平臺(tái)重心越過垂直墻后出現(xiàn)了一定波動(dòng)，而后平穩(wěn)運(yùn)行。仿真中平臺(tái)懸掛部分設(shè)置為硬連接，在一定程度上也增加了平臺(tái)重心的波動(dòng)。仿真結(jié)果表明，履帶式全方位平臺(tái)具備和傳統(tǒng)履帶平臺(tái)類似的爬越垂直墻能力，但速度對(duì)于平臺(tái)爬越能力和重心波動(dòng)幅度影響較大。

2.2 平臺(tái)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(tái)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(duì)兩種壕溝分別進(jìn)行仿真，平臺(tái)重心運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4 所示。

圖3 平臺(tái)越垂直墻過程及重心軌跡

圖4 平臺(tái)重心運(yùn)動(dòng)軌跡

通過仿真結(jié)果可以看出，平臺(tái)順利跨越兩種壕溝。但隨著壕溝寬度的增加，平臺(tái)跨越壕溝后重心運(yùn)動(dòng)軌跡波動(dòng)逐漸劇烈。如圖4（a）所示，跨越350 mm 壕溝，平臺(tái)重心未離開壕溝后側(cè)壁面時(shí)履帶前側(cè)剛好接觸壕溝前側(cè)壁面，平臺(tái)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(shí)，平臺(tái)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(huì)使平臺(tái)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(huì)發(fā)生掉入壕溝的危險(xiǎn)。并且當(dāng)壕溝寬度增加后，平臺(tái)履帶前側(cè)接觸壕溝前壁時(shí)碰撞更加劇烈，會(huì)增加履帶及輥輪的損壞風(fēng)險(xiǎn)，在高速情況下風(fēng)險(xiǎn)更大。此外，本文設(shè)計(jì)的履帶式全方位平臺(tái)未加裝機(jī)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(shí)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(tái)故障情況下運(yùn)動(dòng)仿真

本文設(shè)計(jì)的履帶式全方位平臺(tái)在本質(zhì)上屬于履帶車輛，在行駛過程中可能會(huì)出現(xiàn)脫帶或斷帶情況。平臺(tái)利用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，在行駛過程中可能出現(xiàn)電機(jī)或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損壞情況。以上兩種常見故障，都會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)某條履帶或多條履帶失去驅(qū)動(dòng)能力，出現(xiàn)隨動(dòng)或脫落情況。結(jié)合圖1 所示各履帶位置，分析平臺(tái)驅(qū)動(dòng)履帶數(shù)量與對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)性能可知，當(dāng)一條履帶發(fā)生故障時(shí)，平臺(tái)仍能實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)性能。不同側(cè)的某兩條履帶同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，平臺(tái)也能自身保持平衡，并具備一定的運(yùn)動(dòng)能力。

圖5 履帶3 故障情況下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡

本節(jié)以履帶3 發(fā)生故障而處于隨動(dòng)狀態(tài)為例，對(duì)平臺(tái)全方位運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行仿真。將履帶3 驅(qū)動(dòng)輪速度設(shè)置為0，處于隨動(dòng)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(dòng)狀態(tài)，隨著平臺(tái)的移動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，而非完全的滑動(dòng)。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線如圖5 所示。圖中紅色曲線①表示平臺(tái)所有履帶均為正常狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)軌跡，藍(lán)色曲線②表示平臺(tái)履帶3 故障狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)軌跡。

通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在履帶3 隨動(dòng)狀態(tài)下，平臺(tái)具備全方位運(yùn)動(dòng)能力。平臺(tái)縱向、橫向運(yùn)動(dòng)基本能夠完成，但運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)出現(xiàn)一定偏移；中心轉(zhuǎn)向時(shí)的運(yùn)動(dòng)半徑明顯變大，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了較大偏移。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡出現(xiàn)偏移，主要是由于履帶3的隨動(dòng)狀態(tài)造成摩擦力矩具有很大隨機(jī)性，且未實(shí)施有效反饋控制導(dǎo)致的?？傮w來說，當(dāng)某一履帶發(fā)生故障處于隨動(dòng)狀態(tài)時(shí)，平臺(tái)仍具有較好實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)的可能性?？梢钥闯銎脚_(tái)的故障適應(yīng)能力很強(qiáng)，后期可通過故障檢測(cè)、智能控制等綜合算法進(jìn)行軌跡調(diào)整完成全方位運(yùn)動(dòng)。

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(jì)了一種新型對(duì)稱式全方位平臺(tái)。利用ADMAS 建立平臺(tái)多體動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)平臺(tái)的全方位運(yùn)動(dòng)性能和復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行分析與仿真，驗(yàn)證了平臺(tái)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(tái)具備良好的全方位運(yùn)動(dòng)能力；2）平臺(tái)具備和傳統(tǒng)履帶平臺(tái)類似的越垂直墻、越壕溝能力；3）平臺(tái)在某條履帶發(fā)生故障情況下，仍具備實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)的能力。