發(fā)布時(shí)間：2020-09-10 21:42

　　 柔性底盤(pán)可用于設(shè)施農(nóng)業(yè)等狹小空間內(nèi)的機(jī)械化作業(yè)和道路運(yùn)輸,實(shí)現(xiàn)姿態(tài)轉(zhuǎn)向、姿態(tài)平移和姿態(tài)切換等多種運(yùn)行方式。本文設(shè)計(jì)試制了8 kW柔性底盤(pán)樣機(jī),并進(jìn)行了姿態(tài)轉(zhuǎn)向、姿態(tài)平移和姿態(tài)切換模式等硬化路面試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的分析與優(yōu)化,得到了柔性底盤(pán)姿態(tài)運(yùn)行模式最優(yōu)輸入?yún)?shù),以期為柔性底盤(pán)的多姿態(tài)運(yùn)行提供依據(jù)。本文取得的主要結(jié)論如下:1)設(shè)計(jì)并試制了基于四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向技術(shù)的8 kW柔性底盤(pán)樣機(jī)。整機(jī)尺寸1715×1475×1135 mm,輪距1320 mm,軸距1200 mm,最小離地間隙235 mm,整機(jī)質(zhì)量750 kg,底盤(pán)設(shè)計(jì)額定牽引力2400 N,額定功率8kW,最高設(shè)計(jì)時(shí)速28km·h-1,理論犁耕作業(yè)速度5 km·h-1,理論連續(xù)犁耕作業(yè)時(shí)間大于1h。設(shè)計(jì)并搭建了采用CAN總線通信的模塊化分層控制系統(tǒng),包括了整機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模組、底盤(pán)中央控制模組和單輪行走系控制模組。2)分析了柔性底盤(pán)姿態(tài)轉(zhuǎn)向模式,并進(jìn)行了硬化路面試驗(yàn),取得了柔性底盤(pán)轉(zhuǎn)向的狀態(tài)模型。兩輪轉(zhuǎn)向,各試驗(yàn)因素對(duì)轉(zhuǎn)向準(zhǔn)備精度、轉(zhuǎn)向準(zhǔn)備時(shí)間、轉(zhuǎn)向恢復(fù)精度、轉(zhuǎn)向恢復(fù)時(shí)間、轉(zhuǎn)向切入時(shí)間和轉(zhuǎn)向切出時(shí)間影響的主次關(guān)系是:轉(zhuǎn)向角度電機(jī)轉(zhuǎn)速交互作用;對(duì)轉(zhuǎn)向切入精度和轉(zhuǎn)向切出精度影響的主次關(guān)系是:轉(zhuǎn)向角度電機(jī)轉(zhuǎn)速;對(duì)于轉(zhuǎn)向保持精度影響的主次關(guān)系是:轉(zhuǎn)向角度轉(zhuǎn)向速度;對(duì)于轉(zhuǎn)向保持時(shí)間影響的主次關(guān)系是:轉(zhuǎn)向速度轉(zhuǎn)向角度交互作用。四輪轉(zhuǎn)向,各試驗(yàn)因素對(duì)轉(zhuǎn)向準(zhǔn)備精度、轉(zhuǎn)向恢復(fù)精度、轉(zhuǎn)向切入時(shí)間和轉(zhuǎn)向切出時(shí)間影響的主次關(guān)系是:轉(zhuǎn)向角度電機(jī)轉(zhuǎn)速交互作用;對(duì)轉(zhuǎn)向準(zhǔn)備時(shí)間和轉(zhuǎn)向恢復(fù)時(shí)間影響的主次關(guān)系是:交互作用電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向角度;對(duì)于轉(zhuǎn)向切入精度影響的主次關(guān)系是:轉(zhuǎn)向角度電機(jī)轉(zhuǎn)速;對(duì)于轉(zhuǎn)向切出精度影響的主次關(guān)系是:電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向角度交互作用;對(duì)于轉(zhuǎn)向保持精度影響的主次關(guān)系是:轉(zhuǎn)向角度轉(zhuǎn)向速度交互作用;對(duì)于轉(zhuǎn)向保持時(shí)間影響的主次關(guān)系是:轉(zhuǎn)向速度轉(zhuǎn)向角度交互作用。3)分析了柔性底盤(pán)平移運(yùn)動(dòng),并進(jìn)行了硬化路面試驗(yàn),得到了柔性底盤(pán)的平移狀態(tài)模型。在間斷平移的準(zhǔn)備和恢復(fù)階段中,各試驗(yàn)因素對(duì)平移準(zhǔn)備精度、平移準(zhǔn)備時(shí)間、平移恢復(fù)精度和平移恢復(fù)時(shí)間影響的主次關(guān)系是:平移角度電機(jī)轉(zhuǎn)速交互作用。在連續(xù)平移的平移切入和平移切出階段中,各試驗(yàn)因素對(duì)平移切入時(shí)間、平移切出精度和平移切出時(shí)間影響的主次關(guān)系是:平移角度電機(jī)轉(zhuǎn)速交互作用;對(duì)平移切入精度影響的主次關(guān)系是:電機(jī)轉(zhuǎn)速平移角度。在間斷與連續(xù)平移運(yùn)動(dòng)共同存在平移保持階段中,各試驗(yàn)因素對(duì)平移保持精度影響的主次關(guān)系是:在象限Ⅰ和Ⅲ中為平移速度平移角度,在象限Ⅱ中為平移角度平移速度,在象限Ⅳ中為平移速度平移角度交互作用;各試驗(yàn)因素對(duì)平移保持時(shí)間影響的主次關(guān)系是:在象限Ⅰ和Ⅲ中為平移速度平移角度交互作用,在象限Ⅱ和Ⅳ中為平移速度平移角度。4)分析了柔性底盤(pán)姿態(tài)切換運(yùn)動(dòng),并進(jìn)行了硬化路面試驗(yàn),得到了柔性底盤(pán)的姿態(tài)切換模型。在橫行運(yùn)行中,各試驗(yàn)因素對(duì)切換準(zhǔn)備精度和切換恢復(fù)精度影響的主次關(guān)系是:電機(jī)轉(zhuǎn)速平移角度;對(duì)切換準(zhǔn)備時(shí)間和切換恢復(fù)時(shí)間影響的主次關(guān)系是:平移角度電機(jī)轉(zhuǎn)速;對(duì)橫行保持精度和橫行保持時(shí)間影響的主次關(guān)系是:橫行速度有極顯著的影響。在原地回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中,各試驗(yàn)因素對(duì)切換準(zhǔn)備精度和切換恢復(fù)精度影響的主次關(guān)系是:電機(jī)轉(zhuǎn)速平移角度;對(duì)切換準(zhǔn)備時(shí)間和切換恢復(fù)時(shí)間影響的主次關(guān)系是:平移角度電機(jī)轉(zhuǎn)速;對(duì)回轉(zhuǎn)保持精度影響的主次關(guān)系是:回轉(zhuǎn)切換角度回轉(zhuǎn)角速度;對(duì)回轉(zhuǎn)保持時(shí)間影響的主次關(guān)系是:回轉(zhuǎn)切換角度回轉(zhuǎn)角速度交互作用。5)基于層次分析法和遺傳算法對(duì)姿態(tài)轉(zhuǎn)向、姿態(tài)平移和姿態(tài)切換模式進(jìn)行了最優(yōu)輸入?yún)?shù)求解,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。兩輪轉(zhuǎn)向的優(yōu)化結(jié)果為:轉(zhuǎn)向速度4 m·s-1,電機(jī)轉(zhuǎn)速5.4 r·min-1。四輪轉(zhuǎn)向的優(yōu)化結(jié)果為:電機(jī)轉(zhuǎn)速為5.4 r·min-1;當(dāng)轉(zhuǎn)向角度取(0,60°)時(shí),轉(zhuǎn)向速度為(0.00001φ2+0.014φ+3.538)m·s-1,當(dāng)轉(zhuǎn)向角度取[60°,360°]時(shí),轉(zhuǎn)向速度為4 m·s-1。間斷平移的優(yōu)化結(jié)果為:在任意象限內(nèi),平移速度為4 m·s-1;電機(jī)轉(zhuǎn)速在象限Ⅰ為(0.2480θ+4.5211)m·s-1,在象限Ⅱ?yàn)?0.2921θ+3.5456)m·s-1,在象限Ⅲ為(0.3027θ+2.9356)m·s-1,在象限Ⅳ為(0.2944θ+3.2925)m·s-1。連續(xù)平移的優(yōu)化結(jié)果為:在任意象限內(nèi),平移速度為4 m·s-1;而電機(jī)轉(zhuǎn)速在象限Ⅰ為(0.2027θ+9.2392)m·s-1,在象限Ⅱ?yàn)?0.1978θ+9.4408)m·s-1,在象限Ⅲ為(0.1970θ+9.3528)m·s-1,在象限Ⅳ為(0.1968θ+9.4864)m·s-1。橫行運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化結(jié)果為:正向運(yùn)行時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速為5.4 r·min-1,橫行速度為3.47 m·s-1;逆向運(yùn)行時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速為5.4 r·min-1,橫行速度為3.54 m·s-1。原地回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化結(jié)果為:正向運(yùn)行時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速為5.4r·min-1,而回轉(zhuǎn)切換角度為(0,90)°時(shí),回轉(zhuǎn)角速度為(0.0031βsr+0.5146)rad·s-1,回轉(zhuǎn)切換角度為[90,180]°時(shí),回轉(zhuǎn)角速度為0.78 rad·s-1;逆向運(yùn)行時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速為5.4 r·min-1,而回轉(zhuǎn)切換角度為(0,90)°時(shí),回轉(zhuǎn)角速度為(0.0031βsr+0.5080)rad·s-1,回轉(zhuǎn)切換角度為[90,180]°時(shí),回轉(zhuǎn)角速度為0.78 rad·s-1。
【學(xué)位單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S220
【部分圖文】：

姿態(tài)切換等多種運(yùn)行方式。柔性底盤(pán)的一代樣機(jī)主模擬試驗(yàn)，因此對(duì)底盤(pán)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了充分的分反映出柔性底盤(pán)在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的運(yùn)行特性。對(duì)柔性底盤(pán)一代樣機(jī)存在的問(wèn)題，從整機(jī)動(dòng)力、機(jī)盤(pán)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，設(shè)計(jì)并試制了柔性底盤(pán)的二代一代樣機(jī)分析代樣機(jī)如圖 2-1 所示。為了便于理論分析，一代樣機(jī)簡(jiǎn)化。整機(jī)動(dòng)力方面，柔性底盤(pán)一代樣機(jī)采用 4 個(gè) W機(jī)作為底盤(pán)整機(jī)的動(dòng)力來(lái)源，并通過(guò) ZXD2400 型直，底盤(pán)整機(jī)額定功率為 2 kW。機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，一代單輪行走系的簡(jiǎn)易矩形平面框架，而單輪行走系的懸叉�？刂葡到y(tǒng)方面，一代樣機(jī)采用外置式的上位機(jī)控內(nèi)相關(guān)控制器與傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

和運(yùn)行區(qū)域的限制；3）整機(jī)車架和單輪行走系在結(jié)構(gòu)形式、強(qiáng)度和剛度等方面缺用性；4）外置式控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)效性問(wèn)題。.3 柔性底盤(pán)樣機(jī)基本結(jié)構(gòu).3.1 柔性底盤(pán)整機(jī)系統(tǒng)柔性底盤(pán) 8 kW 樣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如下：4 個(gè)結(jié)構(gòu)相同但相互獨(dú)立運(yùn)行的單輪行走布于底盤(pán)車架的兩側(cè)，分別稱之為左前（lf）、右前（rf）、左后（lr）和右后（rr）行走系。4 個(gè)單輪行走系與底盤(pán)車架通過(guò)相互協(xié)調(diào)配合來(lái)為柔性底盤(pán)整機(jī)提供所需走與轉(zhuǎn)向動(dòng)力。柔性底盤(pán)的動(dòng)力電池組由 4 塊免維護(hù)鉛酸蓄電池串聯(lián)而成，并以十的布局分布在底盤(pán)車架內(nèi)部。一方面最大限度的降低了底盤(pán)的整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，另一避免了在姿態(tài)運(yùn)行過(guò)程中底盤(pán)車架和單輪行走系之間可能存在的干涉現(xiàn)象。為了便控制系統(tǒng)的調(diào)試與維護(hù)，底盤(pán)車架的頂部為柔性底盤(pán)控制系統(tǒng)的布置區(qū)域，控制系為 1 個(gè)底盤(pán)中央控制子系統(tǒng)和 4 個(gè)單輪行走系控制子系統(tǒng)(李翊寧等 2017)。柔性底 kW 樣機(jī)的幾本機(jī)構(gòu)如圖 2-2 所示。

圖 2-3 單輪行走系基本結(jié)構(gòu)Fig.2-3 Basic structure of single-wheel running system底盤(pán)樣機(jī)動(dòng)力參數(shù)牽引力盤(pán)被期望用于設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)部，部分或完全替代微型拖拉機(jī)來(lái)進(jìn)柔性底盤(pán)額定牽引力的確定，需要以輪式拖拉機(jī)的的設(shè)計(jì)流t al. 2011)。為適應(yīng)設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)部的狹小環(huán)境，柔性底盤(pán)整機(jī)尺此選擇單鏵翻轉(zhuǎn)犁來(lái)作為柔性底盤(pán)的配套機(jī)具，該單鏵翻轉(zhuǎn)。表 2-1 單鏵翻轉(zhuǎn)犁的技術(shù)參數(shù)Table 2-1 Technical parameters of single furrow reversible plough犁體質(zhì)量Plough Quality / kg最大耕深Max. plough depth / cm犁體耕作幅寬Plough width / cm74 18 20

本文編號(hào)：2816368