顏南明， 張?jiān)ツ希?王雙雙， 張 健

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京 100072)

基于電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的全方位移動(dòng)平臺(tái)

顏南明， 張?jiān)ツ希?王雙雙， 張 健

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京 100072)

基于4輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和全方位輪技術(shù)，研究了一種在不改變自身姿態(tài)情況下實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并著重闡述了全方位輪的結(jié)構(gòu)、布局及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。試驗(yàn)與應(yīng)用結(jié)果表明：平臺(tái)靈活的機(jī)動(dòng)性能可解決狹小空間內(nèi)的物資搬運(yùn)以及快速、準(zhǔn)確定位與對(duì)接問題。

全方位輪；電驅(qū)動(dòng)；全方位移動(dòng)平臺(tái)

全方位移動(dòng)指的是沿任意方向平動(dòng)、任意半徑轉(zhuǎn)向以及二者之復(fù)合的運(yùn)動(dòng)模式。目前實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)主要有2種方式：1)通過機(jī)械設(shè)計(jì)，使傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)輪具有足夠的旋轉(zhuǎn)角(大于90°)來實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)；2)通過對(duì)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)成全方位輪)，結(jié)合相應(yīng)的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制方法來實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。方式1)多采用機(jī)械傳動(dòng)方式，為了獲得大于90°的驅(qū)動(dòng)輪擺角和原地轉(zhuǎn)向功能，其機(jī)械設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本高，因此在實(shí)際應(yīng)用中并不多見；方式2)多采用電傳動(dòng)方式，結(jié)合驅(qū)動(dòng)輪的特殊設(shè)計(jì)及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制策略，其擴(kuò)展性強(qiáng)，因此應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛?？紤]到開發(fā)和應(yīng)用成本以及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，目前的全方位移動(dòng)平臺(tái)多采用方式2)，本文稱之為電傳動(dòng)全方位移動(dòng)平臺(tái),該平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)包括2個(gè)方面：一是驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)，與普通的驅(qū)動(dòng)輪不同，用于全方位移動(dòng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)輪復(fù)雜得多，本文稱之為全方位輪；二是驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，各全方位輪的驅(qū)動(dòng)必須是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過對(duì)各個(gè)全方位輪旋轉(zhuǎn)速度和方向的協(xié)調(diào)控制來實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的全方位移動(dòng)。20世紀(jì)80年代至90年代初，美國海軍、陸軍就將這種電傳動(dòng)全方位移動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于航空母艦、軍艦上物資和彈藥的運(yùn)輸及裝卸[1]，但關(guān)于全方位輪設(shè)計(jì)以及全方位移動(dòng)平臺(tái)控制技術(shù)方面的研究，目前還未見到相關(guān)報(bào)道。國內(nèi)全方位移動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用較少，主要用于小機(jī)器人移動(dòng)控制，平臺(tái)質(zhì)量均較輕[2-3]，而全方位移動(dòng)技術(shù)在物資搬運(yùn)等領(lǐng)域的應(yīng)用還未見到相關(guān)報(bào)道。基于此，本文設(shè)計(jì)了1 t級(jí)基于4×4獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)的全方位移動(dòng)平臺(tái)方案，并在平臺(tái)原型的基礎(chǔ)上驗(yàn)證了控制算法。

1 總體方案

全方位移動(dòng)平臺(tái)主要組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括綜合控制器、CAN總線系統(tǒng)、4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、減速器、全方位輪、動(dòng)力電池組、各種傳感器、操縱桿以及遙控系統(tǒng)等。該平臺(tái)除了有人駕駛模式外，還可以通過遙控終端進(jìn)行操控。工作時(shí)，由綜合控制器接收來自操控者的指令信息；然后，通過CAN總線向4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送速度指令，每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)形成特定的旋轉(zhuǎn)方向和速度；最后，通過減速器傳遞到每個(gè)全方位輪上。由于全方位輪在地面上形成的驅(qū)動(dòng)力大小和方向與全方位輪的旋轉(zhuǎn)速度大小和方向相關(guān)，因此通過控制4個(gè)全方位輪的速度大小和方向就可以控制整個(gè)平臺(tái)總的驅(qū)動(dòng)力大小和方向，從而實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。

圖1 全方位移動(dòng)平臺(tái)主要組成結(jié)構(gòu)

2 全方位輪結(jié)構(gòu)及布局

全方位輪是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)全方位移動(dòng)的核心部件之一，因此要實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，首先要設(shè)計(jì)全方位輪。全方位輪從基本結(jié)構(gòu)上劃分，主要包括麥克納姆輪、雙排全方位輪、單排全方位輪、連續(xù)切換輪、正交輪和球輪等[4-5]。全方位輪結(jié)構(gòu)的選擇不僅要考慮全方位輪的布局、承重能力、控制方式，還要考慮全方位輪制作成本和應(yīng)用的可拓展性，筆者選擇麥克納姆輪結(jié)構(gòu)作為全方位輪的結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。

從圖2(a)可以看出：麥克納姆輪結(jié)構(gòu)由一組自由旋轉(zhuǎn)的輥輪和輪轂組成，考慮到各向運(yùn)動(dòng)的平衡性[6]，輥?zhàn)右话阋?5°角均勻安裝在輪轂的周圍。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使輪子不僅可以沿著垂直于輪軸的方向運(yùn)動(dòng)，而且可以在輪軸的±45°范圍內(nèi)朝任意方向運(yùn)動(dòng)，如果平臺(tái)的軸距和輪距相等，則可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)橫向和縱向相同的運(yùn)動(dòng)特性。設(shè)計(jì)這種全方位輪的關(guān)鍵在于：根據(jù)輪子的承重選擇輪子的材料，確定輪子外圓半徑、輥輪個(gè)數(shù)、輥輪長(zhǎng)度、輥輪中間直徑以及輥輪小端直徑，以保證全方位輪的外圓側(cè)面投影精確成圓[7-9]。

在實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用全方位移動(dòng)平臺(tái)時(shí)，還必須確定全方位輪的個(gè)數(shù)與實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能的關(guān)系。要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的全方位移動(dòng)功能，一般而言，全方位輪數(shù)量≥3，應(yīng)用中常見的是3輪和4輪平臺(tái)。除了全方位輪數(shù)量上的區(qū)別，在輪子的布局上也有2種不同的方式，即向心式布局(如圖2(b)所示)和縱向?qū)ΨQ式布局(如圖1所示)，不同布局方式對(duì)應(yīng)的控制方法也不同[10]。3輪平臺(tái)中輪子的布局采用向心式布局；4輪平臺(tái)因支撐穩(wěn)定可靠、驅(qū)動(dòng)力均衡，在實(shí)際應(yīng)用中采用較多。因此，筆者采用4輪縱向?qū)ΨQ式布局作為全方位移動(dòng)平臺(tái)的行走機(jī)構(gòu)。

圖2 麥克納姆輪結(jié)構(gòu)和向心式布局

3 全方位移動(dòng)平臺(tái)控制技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能，除了全方位輪以外，還需要配套的控制系統(tǒng)。通過分析全方位輪結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性，可知每個(gè)全方位輪具有3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度[6]：一是繞輪子軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；二是沿輥?zhàn)虞S線垂線方向平動(dòng)；三是繞輪子和地面的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)輥?zhàn)右簿哂?個(gè)自由度：一是繞輥?zhàn)虞S線轉(zhuǎn)動(dòng)；二是繞輪子軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；三是繞輪子和地面的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)全方位輪以圖1所示的方式固定在平臺(tái)車體上時(shí)，每個(gè)全方位輪旋轉(zhuǎn)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與車體縱向軸線成45°的牽引力，力的方向與全方位輪的旋轉(zhuǎn)方向相關(guān)，力的大小和全方位輪的旋轉(zhuǎn)速度大小有關(guān)。在控制系統(tǒng)的作用下，通過控制不同全方位輪的旋轉(zhuǎn)速度大小和方向，就可以控制4個(gè)全方位輪產(chǎn)生的合力大小和方向，從而推動(dòng)平臺(tái)車體朝合力的方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。本文采用的全方位移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 全方位移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為上、下2層：上層為綜合控制，由綜合控制器對(duì)駕駛員指令信號(hào)進(jìn)行采集、分解和計(jì)算；下層為單個(gè)全方位輪的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)輸出軸通過減速器與全方位輪的輪轂相連，由電機(jī)控制器接收上層綜合控制器發(fā)過來的電機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向指令，控制電機(jī)按指令要求運(yùn)行。上層綜合控制器的指令傳到下層電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過CAN總線實(shí)現(xiàn)。

通過對(duì)全方位移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，上層綜合控制器根據(jù)駕駛員操控指令按照式(1)所示的控制策略進(jìn)行運(yùn)算和分配平臺(tái)4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。

(1)

式中:vx、vy、ωz分別為全方位移動(dòng)平臺(tái)橫向速度、縱向速度和自身旋轉(zhuǎn)角速度；R、l、w分別為全方位輪半徑、全方位移動(dòng)平臺(tái)的輪距和軸距；ω1、ω2、ω3、ω4分別為全方位移動(dòng)平臺(tái)右前輪、左前輪、左后輪、右后輪的旋轉(zhuǎn)角速度。

要實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)平臺(tái)沿某一方向以一定的速度運(yùn)動(dòng)，因vx、vy、ωz為已知量，則控制系統(tǒng)只要控制4個(gè)全方位輪以ω1、ω2、ω3、ω4的角速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)即可，這里旋轉(zhuǎn)速度包括方向。要實(shí)現(xiàn)全方位輪控制，也就是驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度大小和方向的控制，就需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)控制，全方位移動(dòng)平臺(tái)采用異步電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其控制結(jié)構(gòu)和控制策略如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制結(jié)構(gòu)和控制策略

φs=∫(Δω*+ωr)dt。

式中：Tr=Lr/Rr，為轉(zhuǎn)子電路的時(shí)間常數(shù)。

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)，筆者課題組研制了全方位移動(dòng)平臺(tái)樣機(jī)，如圖5所示，該平臺(tái)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

圖5 全方位移動(dòng)平臺(tái)樣機(jī)

利用該樣機(jī)對(duì)平臺(tái)的全方位移動(dòng)功能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)時(shí)路面環(huán)境為堅(jiān)硬平坦的瀝青路面，利用運(yùn)動(dòng)控制軟件完成對(duì)平臺(tái)期望運(yùn)動(dòng)的設(shè)置，通過對(duì)陀螺儀(ADIS16355)的數(shù)據(jù)濾波得到樣機(jī)的姿態(tài)角速度，通過對(duì)加速度計(jì)(ADIS16355)的數(shù)據(jù)濾波并積分得到樣機(jī)的橫、縱向速度，將試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)無線串口通信模塊(FC-211AP)發(fā)送至PC機(jī)并進(jìn)行保存。

表1 全方位移動(dòng)平臺(tái)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

圖6、7分別為平臺(tái)橫向運(yùn)動(dòng)期望速度vx=0.1sin(πt/10)和縱向運(yùn)動(dòng)期望速度vy=0.1sin(πt/10)與實(shí)際速度的試驗(yàn)對(duì)比曲線，每項(xiàng)試驗(yàn)做3組，對(duì)各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理后得到平臺(tái)的速度數(shù)據(jù)。圖8為平臺(tái)中心轉(zhuǎn)向試驗(yàn)時(shí)的平臺(tái)角速度變化曲線，期望角速度為ωz=2°/s。由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出：所研制的平臺(tái)能夠很好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的全方位移動(dòng)功能。

通過對(duì)平臺(tái)的拓展設(shè)計(jì)，該種全方位移動(dòng)平臺(tái)技術(shù)得到了很好的實(shí)際應(yīng)用，圖9為部分實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品，分別為全方位移動(dòng)叉車和升高機(jī)。

圖6 平臺(tái)橫向運(yùn)動(dòng)期望速度與實(shí)際速度試驗(yàn)對(duì)比曲線

圖7 平臺(tái)縱向運(yùn)動(dòng)期望速度與實(shí)際速度試驗(yàn)對(duì)比曲線

圖8 平臺(tái)中心轉(zhuǎn)向試驗(yàn)時(shí)的平臺(tái)角速度變化曲線

圖9 全方位移動(dòng)平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品

5 結(jié)論

本文研究成果在全方位移動(dòng)平臺(tái)技術(shù)領(lǐng)域打破了國內(nèi)僅限于小機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，達(dá)到了國外相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平。通過拓展研究，形成了一系列的應(yīng)用平臺(tái)，不僅可以滿足陸軍船艇和通用裝備保障搬運(yùn)的要求，也可應(yīng)用于軍艦、洞庫等狹窄空間的物資和彈藥的運(yùn)輸、裝卸上；在物資運(yùn)輸、搬運(yùn)、航天、掛裝、定位、無人地面車輛、偵察和維修等平臺(tái)上，也同樣具有重要的意義。

本文研究的全方位移動(dòng)平臺(tái)是基于輪式載體，這對(duì)地面條件和全方位輪的設(shè)計(jì)提出了較高的要求，由于全方位輪自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致輪式全方位移動(dòng)平臺(tái)高速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，影響平臺(tái)的平穩(wěn)性。下一步將進(jìn)行履帶式全方位移動(dòng)平臺(tái)研究，以彌補(bǔ)這些不足，并將大大提升平臺(tái)的越野性能。

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(責(zé)任編輯:尚彩娟)

An Omni-directional Mobile Platform Based on Electric Drive Technology

YAN Nan-ming, ZHANG Yu-nan, WANG Shuang-shuang, ZHANG Jian

(Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Based on four-wheel independent electric drive technology, network control technology and omni-directional wheel technology, a mobile platform which can realize omni-directional mobile function without changing its attitude is designed, and the construction, layout and drive control technology of omni-drerection wheel are also expounded. Experiment and application results show that the omni-directional mobile function of the platform can solve the problems of material handling in limited space, and fast, accurate positioning and docking.

omni-directional wheel; electric drive; omni-directional mobile platform

1672-1497(2015)03-0081-04

2015-01-28

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

顏南明(1975-)，男，講師，博士。

TJ81+0.323

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.016