具有独立升降结构能自动调节姿态的通用移动平台论文

SCI论文（www.lunwensci.com）:
 
　　摘要：通过对通用移动平台的斜坡状态以及近转弯两种状态下的受力分析，建立了车体结构、坡度、转弯速度等因素对结构扭矩、抓地力等产品参数的影响的模型，提出一种配备有自动升降系统的移动平台，移动平台由车身、摆臂、车轮构成。摆臂由两段等长支架构成平行四边形结构，摆臂一端连接车身、另一端连接车轮，结构上保证车轮抬起的整个行程中都与车体保持垂直角度，并保证车轮与地面垂直接触，有最大接触面积和抓地力。每个车轮都安装有独立的转向机构，除了正常行驶转向，还可以实现原地转向、平移、定点环绕等特殊动作。车身中安装陀螺仪可以动态监测车身的加速度、角加速度、俯仰角度、横滚角度等信息。摆臂中安装电控撑杆，可以按照主控程序控制动态调整车轮高度控制系统通过输入的产品自身结构参数、环境坡度、转向角度等参数，自动控制升降组件的长度以调节车体的状态，使车体受到的合力通过弯曲中心，滚轮和地面的抓地力保持均匀分布，避免产品使用过程中发生的结构件损坏、抓地力变化引起打滑、滚轮磨损、车体翻滚等问题，提升了移动平台及所搭载设备的性能。新型平台经陡坡、急转弯、加减速等工况测试，测试过程车体能保持需要的姿态，滚轮之间的抓地力差异能控制在2％以内、并能适应30°陡坡等极端环境，提高了产品适应不同使用环境的能力，减少产品故障，为通用移动平台的推广打下了良好的基础。

　　关键词：斜坡；急转弯；车体结构；弯曲中心；抓地力

　　Universal Mobile Platform with Independent Lifting Structure and Automatic Attitude Adjustment

　　Li Zhe，Zhang Junkun，Huang Tiangang

　　(Meili Technology(Guangzhou)Co．，Ltd．，Guangzhou 510663，China)

　　Abstract：Through the force analysis of the general mobile platform under the slope state and the near turning state，the model of the influence of the factors such as the body structure，slope，turning speed on the structural torque，grip and other product parameters was established，and a mobile platform equipped with an automatic lifting system was proposed，which composed of the body，swing arm and wheel．The swing arm was a parallelogram structure composed of two equal length brackets．One end of the swing arm was connected to the vehicle body and the other end was connected to the wheel．Structurally，the swing arm ensures that the vertical angle was maintained with the vehicle body during the whole process of wheel lifting，and ensured that the wheel was in vertical contact with the ground，with the maximum contact area and grip force．Each wheel was equipped with an independent steering mechanism．In addition to normal driving and steering，it could also realize special actions such as in－situ steering，translation and fixed－point circling．The gyroscope installed in the vehicle body could dynamically monitor the acceleration，angular acceleration，pitch angle，roll angle and other information of the vehicle body．The electric control strut was installed in the swing arm，which could dynamically adjust the wheel height control system according to the main control program through the input product structure parameters，environmental slope，steering angle and other parameters，the length of the lifting assembly was automatically controlled to adjust the state of the car body，so that the resultant force of the car body passes through the bending center，and the traction force of the roller and the ground was evenly distributed，so as to avoid the problems such as sliding，roller wear and car body rolling caused by the damage of the structural parts and the change of the traction force during the use of the product，and improve the performance of the mobile platform and the equipment．The new platform has been tested on steep slopes，sharp turns，acceleration and deceleration．During the test，the car body can maintain the required posture，the difference in grip between the rollers can be controlled within 2％，and can adapt to extreme environments such as 30°steep slopes．It improves the ability of the product to adapt to different use environments，reduces product failures，and lays a good foundation for the promotion of the universal mobile platform．

　　Key words：slope；sharp turns；body structure；bending center；grip

　　0引言

　　随着人工成本越来越高，各个比较依赖人工作业的行业都在进行产业升级。自动化、智能化、高效率已经成为趋势，园林维护等耗费大量劳力的工作逐步由机器取代，工作方式已经从全人工向半自动半人工升级，并逐步向全自动作业发展。目前完整的作业设备一般是通过移动平台搭载作业模块的方式[1]。其中核心模块为全自动移动平台，移动平台具有GPS定位、雷达检测、自动巡航、避障、路径规划等功能[2]，根据应用场景不同，在平台上配备相应的作业模块(如草坪修剪、树枝修剪、采摘水果等模块)，完成在高尔夫球场、小区草坪、道路绿化带、大型果园等场合的自动化作业，能极大减少人工的作业强度，提高作业效率，降低作业成本。在移动平台逐步扩大应用场景的过程中，也暴露出现有的移动平台适应性不强、故障率高等问题，园林维护的作业环境大部分为开放式，环境差异性较大，例如在作业的地面不平、有较大斜度、车体急转弯等工况时，移动平台容易出现打滑、侧翻、损坏等异常，平台上搭载的作业设备太高时，容易发生倾倒等问题，高频次的产品故障增加了产品的维护工作量，使设备的作业环境有较大的局限性，影响了产品的大规模推广使用。本文旨在通过对移动平台的故障的原因进行量化分析，从设计源头对产品性能进行改进，有效改善移动平台在斜坡、急转弯等工况下的适应性。

　　1移动平台结构

　　如图1所示，移动平台由车身、摆臂、车轮构成。摆臂由两段等长支架构成平行四边形结构，摆臂一端连接车身、另一端连接车轮，结构上保证车轮抬起的整个行程中都与车体保持垂直角度[3]。如此车轮可与地面垂直接触，保证最大接触面积和抓地力。每个车轮都安装有独立的转向机构，除了正常行驶转向，还可以实现原地转向、平移、定点环绕等特殊动作。车身中安装陀螺仪[4]，动态监测车身的加速度、角加速度、俯仰角度、横滚角度等信息。摆臂中安装电控撑杆，可以按照主控程序控制动态调整车轮高度。

　　2模型的建立

　　现有的通用移动平台对使用环境的要求很高，这导致产品的使用场合受到制约，并导致产品使用过程中故障率较高。当地面有较大坡度、急转弯时，容易发生问题。

　　2．1斜坡状态存在的问题

　　为了减轻机器的重量，并尽量保留足够大的空间，移动平台主体一般采用薄壁框架结构，薄壁框架结构的特点就是抗弯近或者通过车身的弯曲中心，以减少框架受到的扭矩[5]。设备在静止或匀速运动时，主要受到重力和地面对滚轮的作用力。滚轮宽度方向的跨度为W，长度方向的跨度为L，如图2所示，当设备放置在水平路面时，重力方向刚好通过弯曲中心，保证了车身框架主要受到弯曲作用[6]，因此车体变形较小，内部结构件受力状态较理想，但地面存在一定坡度时，会发生不同的情况。
　　2．1．1扭转变形

　　当设备在移动过程中需爬坡或下坡时，由于重力方向始终垂直向下，重力作用线和弯曲中心距离由0变成L1，根据图2中的几何关系得：L1＝H1·sina，对应的扭矩为：T1＝G1·L1＝G·H1·sina，即随着地面坡度加大，车体受到的扭矩也相应增加，框架扭转变形变大，内部机械零件受力增加，对机器整体刚度、强度提出更高的要求。这种情况循环发生的话，容易导致连接位置等薄弱区域屈服、失效，紧固件松脱等，引起设备故障。

　　2．1．2抓地力不均

　　重心的偏移同时也使4个滚轮的受力也不均匀，橡胶滚轮和地面的摩擦力和正压力之间不是简单的线性关系，即摩擦因数不是常数。当压力过大或过小时，都会引起摩擦因数的减少，抓地力减少后，更容易发生滚轮打滑、擦损等问题[3]。

　　滚轮的压力分布：在水平地面状态下，重力均匀分布在4个滚轮上，每个滚轮上的压力：F1＝G／4。

　　前进方向存在坡度时，前排滚轮的受力：

     

　　坡度越大，滚轮之间的压力差别越大，当Fr或Fb降低到0时，此时有一侧滚轮的抓地力完全为0，会导致车体翻滚[7]，机器直接被损坏，甚至砸伤作业人员，即：

    

      

　　得到：a＞arcsin()或a＞arcsin()。当前进方向的坡度a＞arcsin()时，车体前后方向发生翻滚；当前进方向的坡度a＞arcsin()时，车体左右方向发生翻滚。

　　2．2急转弯状态存在的问题

　　当物体转弯时会产生离心力，离心力大小和物体质量、角速度、转弯半径有关，离心力的计算公式就是向心力的公式：

      

　　式中：m为质量；v为速度；r为离心运动半径。

　　如图3所示，离心力的存在也会使设备收到的质量惯性的合力(重力G＋离心力Fy)偏离车体的弯曲中心[8]，由此产生车体扭转、滚轮侧滑、抓地力下降、甚至翻滚等问题。
　　

　　式中：v为速度；r为离心运动半径；g为重力加速度；w为跨度；H为重心高度[9]。

　　3解决方案

　　为改善以上几个问题，提升产品质量，在产品设计上增加了升降自适应功能，设计如图4所示。产品配有检测水平角度的陀螺仪，当平台移动到斜坡或者转弯时，控制系统通过调整4个滚轮上配置的升降组件的长度，根据设备使用过程中的需要角度，控制升降组件的长度，进而控制车体平台的整体斜度，使机器受力达到理想图4配备升降组件的移动平台状态。

　　3．1斜坡状态改进

　　当设备移动到斜坡上时，通过调节4个滚轮上升降组件，通过组件之间的高度差，抵消坡度的影响，使车体上表面保持水平状态，如图5所示，设备的重力合力方向还是维持通过车体的弯曲中心，这样就保证了重力作用对弯曲中心的扭矩为0，同时4个滚轮的压力理论上完全相等，抓地力均衡，也避免了车体翻滚等问题。
　　3．2急转弯状态改进

　　当车体转弯时，为改善离心力引起的作用力方向偏离弯曲中心引起的整体扭转、抓地力等问题，可通过升降组件，使车体整体呈一定的斜度，斜度的大小刚好可以抵消离心力的偏离作用，最终使外力合力通过弯曲中心，如图6所示，以达到设备受力合理、抓地力分布均匀的状态。
　　4设计参数

　　升降组件的参数设计主要包括推力及行程，在4个滚轮组件的摆臂上配备独立的升降组件，滚轮摆臂和车体之间通过电控撑杆连接，电控撑杆设计参数确定如下。

　　4．1电控撑杆推力值确定

　　按照移动平台和配备的作业模块的总质量不超过300 kg的产品技术要求，滚轮摆臂在升降过程中对电控撑杆的作用力是变化的，极限状态即滚轮摆臂在水平状态时电控撑杆受力最大，根据电控撑杆推力和地面对滚轮压力相对摆臂旋转中心的力矩平衡，得到电控撑杆的受力情况[10]：

      

　　式中：F1为电控撑杆推力，待确认；L1＝155，为电控撑杆推力到摆臂中心的距离；mmax＝300，为产品技术要求的最大质量；L2＝467，为滚轮受力和摆臂中心的最大距离；n＝4，为滚轮数量。

　　计算得到F1＞2 259 N，按1．1的安全系数，结合实际使用的电控撑杆的规格系列，初步选用2500 N规格的电控撑杆。

　　4．2电控撑杆行程确定

　　产品设计要求能适应的最大坡度为25°，结合PROE设计维模型[11]，如图7所示，对应的滚轮升降高度459 mm，对应的电控撑杆位置所需要的距离为141 mm，考虑零件的加工、装配误差，并结合市场实际的电控撑杆规格，电控撑杆的行程选用150 mm规格。
　　4．3电控撑杆固定方式确定

　　由于在升降过程中，电控撑杆会旋转，所以采用铰接的方式，分别和车体以及车轮摆臂连接，如图7所示，以保证运动顺畅、机械连接可靠、产品装配简单[6]。

　　4．4电控撑杆伸缩长度控制

　　产品升降功能是通过升降组件实现，控制系统会根据车体需要达到的角度，换算成需要调整的电控撑杆的长度，来保证车体能达到所需的姿态，使设备整体的扭矩、抓地力等参数达到最理想的状态。电控撑杆伸缩长度和车体角度的关系可通过图8中的几何关系得到：

　　

　　式中：A为车体倾斜角度；Ly为电控撑杆伸缩长度；a为电控撑杆力到摆臂中心的距离；b为电控撑杆力到滚轮中心的距离；W为滚轮跨度的距离。

　　在升降过程中，随着滚轮摆臂角度的变化，式(11)中的参数a、b、W也是时时变化的，所以控制系统需要根据产品的结构尺寸及状态检测，时时调整控制参数，以保证车体迅速调整到所需要的姿态[7]。

　　5测试与结果分析

　　具体测试内容及效果如下[12]。

　　(1)双边驼峰测试

　　车体跨越驼峰时，驼峰对应的车轮实时抬起，低谷点实时降下，过程中车体保持水平，4个车轮的下压力偏差在20 N以内。

　　(2)35°坡度测试

　　车身可以正常完成上下坡、驻车、原地旋转等动作，过程中车体保持水平，4个车轮的下压力偏差在20 N以内。

　　(3)急转弯、加减速测试

　　加速度计实时检测到重力加速度指向的偏移，主控程序自动向相反方向倾斜车身抵消重力偏移。4个车轮的下压力偏差在20 N以内。

　　(4)室外崎岖路面测试

　　关闭摆臂控制程序，车身行进过程中抖动明显。打开摆臂控制程序后，车身行进时保持平稳。从测试数据看，设备在指令响应的实时性、车体整体水平或指定角度的控制精度，以及滚轮之间的压力偏差波动的精度等方面都达到设计预期，在斜坡、急转弯、加减速等极端环境下运行稳定，能有效提升设备对使用环境的适应性。

　　6结束语

　　针对现有通用移动平台使用过程中存在的问题，通过对通用移动平台的斜坡状态以及近转弯两种状态下的受力分析，建立了车体结构、坡度、转弯速度等因素对结构扭矩、抓地力等产品参数的影响的模型，通过理论计算，得到自动升降组件的相关参数，控制系统通过输入的产品自身结构参数、环境坡度、转向角度等参数，自动控制升降组件的长度以调节车体的状态，使车体受到的合力通过弯曲中心，滚轮和地面的抓地力保持均匀分布，避免产品使用过程中发生的结构件损坏、抓地力变化引起打滑、滚轮磨损、车体翻滚等问题，提升了移动平台及所搭载设备的性能。并通过样机得到较好的效果验证。新型功能的移动平台提高了产品适应不同使用环境的能力，减少产品故障，为通用移动平台的推广打下了良好的基础。

　　参考文献：

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　　[8]洪嘉振，刘铸永，杨长俊．理论力学[M]．北京：高等教育出版社，2015．

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　　[11]王星河，曾奕晖．数字化产品造型设计[M]．上海：上海交通大学出版社，2019．

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