【摘要】：農(nóng)用柔性底盤是根據(jù)室內(nèi)運送或溫室作業(yè)環(huán)境狹小及空間相對封閉的特點而開發(fā)的新型電動底盤系統(tǒng)。該底盤采用4個偏置轉向軸驅(qū)動輪模塊,通過控制每個車輪的速度進行底盤的驅(qū)動和轉向,將傳統(tǒng)動力底盤的驅(qū)動系和轉向系合二為一,可以完成斜行運動、橫向運動和原地轉向運動等現(xiàn)有底盤系統(tǒng)無法實現(xiàn)的運動形式。本文依托國家自然科學基金項目“溫室作業(yè)柔性底盤的工作機理與控制策略研究”(編號:51375401),對農(nóng)用柔性底盤的運動特性及控制策略展開了深入的研究,主要包括:設計并搭建偏置轉向軸驅(qū)動輪試驗臺,并進行偏置轉向軸驅(qū)動輪模塊的驅(qū)動轉向能力和響應特性測試;優(yōu)化基于電橋電路的偏置轉向軸自動跟蹤轉向系統(tǒng),并探究偏置轉向軸的自動跟蹤轉向的響應特性;優(yōu)化改進水平轉盤式柔性底盤試驗臺及其測控系統(tǒng),探究不同運動姿勢和不同輪轂電機轉速下的柔性底盤運動與動力特性;對柔性底盤進行了運動分析,根據(jù)其運動瞬心決定運動姿勢的原理,提出半模式控制柔性底盤姿勢變化的方法,并完成了此控制方法的模擬仿真與硬化路面試驗;建立了輪轂電機運動模型,偏置轉向軸自動跟蹤轉向運動模型,柔性底盤的動力學仿真模型,并進行硬化路面條件下的試驗與模擬分析。以期為柔性底盤的進一步開發(fā)及其控制器的改進提供理論依據(jù)和技術參數(shù)。論文所取得的主要結論如下:1.通過試驗臺測試明確了輪轂電機的轉速響應特性和偏置轉向軸驅(qū)動輪模塊的驅(qū)動轉向特性。根據(jù)柔性底盤的偏置轉向軸驅(qū)動輪模塊的結構特點,設計試制了水平轉盤式偏置轉向軸驅(qū)動輪試驗臺,開發(fā)了數(shù)據(jù)采集記錄和顯示軟件。利用Matlab/Simulink建立了輪轂電機的運動數(shù)學模型。進行了不同垂直載荷和不同輪轂電機設定轉速下,輪轂電機的轉速響應特性和偏置轉向軸驅(qū)動輪模塊的驅(qū)動轉向能力的試驗。試驗結果表明:輪轂電機的轉速響應時間與垂直載荷無關,僅與設定轉速成正相關關系;在垂直載荷為500.00 N時,其500 W輪轂電機對于偏置轉向軸的驅(qū)動轉向力矩為19.54±0.91 N·m,且偏置轉向軸的驅(qū)動轉向力矩與垂直載荷呈線性正相關關系。2.通過模擬和試驗臺測試探明了偏置轉向軸模塊的自動跟蹤響應特性。設計搭建了一種基于電橋電路的偏置轉向軸自動跟蹤轉向控制器,利用Matlab/Simulink建立了偏置轉向軸自動跟蹤轉向系統(tǒng)的數(shù)學模型。進行了不同垂直載荷、不同輪轂電機轉速和不同轉向目標角度下,偏置轉向軸自動跟蹤轉向的模擬和響應特性試驗。結果表明:偏置轉向軸系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同轉向目標角度的自動跟蹤轉向。轉向目標角度在-90.00°~+90.00°范圍時,偏置轉向軸的自動跟蹤平均轉角范圍為-88.63±1.54°~+88.17±1.02°,其最大平均絕對誤差為1.77°;垂直載荷對偏置轉向軸的自動跟蹤轉向的響應角度的準確性和轉向響應時間沒有明顯影響;轉向響應時間,在偏置轉向軸正向轉向時僅與轉向目標角度呈正相關,在偏置轉向軸反向轉向時與輪轂電機轉速和轉向目標角度呈負相關;利用電磁摩擦鎖的鎖緊力可以提高偏置轉向軸轉向的穩(wěn)定性。3.模擬并用水平轉盤式試驗臺測試了4個500 W輪轂電機組成的柔性底盤在不同運動姿勢下的運動特性與動力特性。利用Matlab/Simulink建立了基于水平轉盤式試驗臺的柔性底盤動力學模型。優(yōu)化改進了水平轉盤式試驗臺,并進行了不同輪轂電機轉速條件下,柔性底盤的直行、45°斜行、原地轉向及橫行等四種運動形式的試驗臺運動與動力特性試驗。結果表明:柔性底盤運動啟動后,四個輪轂電機轉速從0增加到設定轉速的總體響應時間為2~3 s,其平均值為2.003±0.267 s;4個500 W輪轂電機構成的空載柔性底盤直行牽引力為727.47±17.72 N,橫行牽引力為760.14±13.22 N,斜行45°的牽引力為729.29±19.46 N。4.提出了柔性底盤姿勢變化的半模式控制方法,并完成了運動模擬仿真。通過對柔性底盤的運動學分析,得到了柔性底盤的活動度,可操作度和機動度;根據(jù)其運動瞬心的位置決定著柔性底盤姿勢的基本特征,提出了半模式控制柔性底盤姿勢變化的方法。設計了用于選擇柔性底盤運動瞬心基于極坐標系的模擬控制界面,利用Matlab/Simulink建立了柔性底盤運動仿真模型,并進行了柔性底盤由直行準備姿勢向直行運動姿勢,斜行運動姿勢,橫行運動姿勢和原地轉向運動姿勢等四種特殊姿勢轉換的運動仿真。仿真結果表明:模型能夠較好地反映柔性底盤的動力學響應特性,模擬驗證了半模式控制方法的有效性。5.完成了半模式控制柔性底盤姿勢變化控制器設計及硬化路面實車運行控制試驗。針對柔性底盤半模式控制姿勢變化方法的工作原理,設計制作了半模式控制姿勢變化的控制器。采用模塊化設計方法構建了該控制系統(tǒng)的底層硬件部分,結合CAN總線和傳感器技術實現(xiàn)了該柔性底盤偏置轉向軸的轉向角度等數(shù)據(jù)的采集功能;基于低速阿克曼四輪轉向模型與轉速閉環(huán)控制算法分析,驗證了半模式控制柔性底盤姿勢變化控制策略的有效性。進行了柔性底盤由直行準備姿勢向直行運動姿勢,斜行運動姿勢,橫行運動姿勢和原地轉向運動姿勢變化的硬化路面運行控制試驗。結果表明:控制器可以實現(xiàn)柔性底盤姿勢變化的控制功能;柔性底盤靜止時,偏置轉向軸可實現(xiàn)-90.00°~+90.00°范圍內(nèi)自由轉向,且轉角控制的最大平均絕對誤差為0.31°;通過控制器設定好柔性底盤的運動瞬心位置后經(jīng)2.309 s左右姿勢變化完成;且姿勢變化完成后的柔性底盤運動試驗證明了固定姿勢的控制系統(tǒng)的有效性。
【圖文】：

立驅(qū)動和四輪獨立轉向的電動底盤。主要由4個偏置轉向軸驅(qū)動輪模塊和車架組成。4個偏置轉向軸驅(qū)動輪獨立控制，彼此之間沒有機械連接。本文所研究的柔性底盤為路敵等（2011a）研制的樣機及其主要技術參數(shù)分別如圖1-1和表1-1所示。與傳統(tǒng)底盤相比較，其靈活性大大提高�？赏ㄟ^改變偏置轉向臂與車架的夾角改變?nèi)嵝缘妆P的姿勢，完成傳統(tǒng)底盤無法實現(xiàn)的運動形式，如斜行（Parallel moving，，簡稱PM）、橫行（Car left-right，簡稱CLR）和原地轉向（Situ steering，簡稱SS）運動等，如圖1-2所示。圖1-1 柔性底盤樣機Fig.1-1 Sample vehicle of FC

設計的承載載荷 Designed bearing loading/（N） 2000.0直行 原地轉向 斜行 橫行圖1-2 柔性底盤的四種常見運動形式Fig.1-2 Four common forms of movement of FC1.3 國內(nèi)外文獻綜述依據(jù)本文所研究內(nèi)容，對國內(nèi)外溫室作業(yè)動力機械及4WID/4WIS電動底盤等相關領域的研究成果總結如下。1.3.1 室內(nèi)作業(yè)動力機械的研究綜述關于室內(nèi)作業(yè)動力機械方面，我國學者對此進行了深入的探討和研究，例如：孫星釗等（1997）研制了大棚用無輪耕耘機；李達和朱德清（1999）研究了棚室耕整機具；應義斌等（1997）研究了蔬菜棚室用自走式微型旋耕機。孟煒等（2009）研制了電動松土機；李彩霞等（2008）研制了滾齒式電動松土機；何偉寧等（2006）研究了溫室電動松土機松土部件的數(shù)學模型；周舟等（2009）設計了移動式溫室精準施肥機；高輝松等（2012）研制了大棚用電動微耕機；申屠留芳等（2013）設計了大棚電動自走式撒肥機；
【學位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S220

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本文編號：2521609