楊 利，劉 洋，張嘉德，洪英漫，賈丹陽

（中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300）

近年來，國家重點(diǎn)關(guān)注新能源的領(lǐng)域開發(fā)和使用，民航局為響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召、滿足社會品質(zhì)提高的需求，提出了建設(shè)“生態(tài)機(jī)場”的目標(biāo)，將電動特種車輛引入民航機(jī)場建設(shè)。其中，行李傳送帶車作為一種可移動式的行李傳送裝置，可以將旅客的行李箱或者規(guī)定范圍內(nèi)的貨物安全、穩(wěn)定、快速地運(yùn)送進(jìn)出飛機(jī)的底倉，或者用于不同高度位置之間傳送貨物的專用設(shè)備[1]，無論在民用機(jī)場，還是軍用機(jī)場都是一種必不可少的機(jī)坪設(shè)備，而且是使用程度非常高的一種特種車輛。

目前，機(jī)場使用的行李傳送車大多是基于傳統(tǒng)特種車輛底盤進(jìn)行改造，尚未實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化設(shè)計及最優(yōu)布局，普遍存在結(jié)構(gòu)與電動車特性不匹配的問題[2]，導(dǎo)致續(xù)航能力弱、車體笨重、操作不便等問題出現(xiàn)?；诖?，本文提出一種電動模式下的整車模塊化設(shè)計方案，并結(jié)合多體動力學(xué)和有限元計算方法對車輛主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化計算，最終得到輕量化車體結(jié)構(gòu)并進(jìn)行校核分析，同時，結(jié)合多種傳感器和北斗衛(wèi)星定位模塊搭建模型車輛，運(yùn)用MATLAB軟件建立數(shù)學(xué)模型，通過蟻群算法對行李傳送車場地內(nèi)的行駛路徑進(jìn)行規(guī)劃仿真，并設(shè)計實(shí)現(xiàn)了電動行李車的避障功能。

1 雙缸驅(qū)動舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

行李傳送車的主要運(yùn)動機(jī)構(gòu)在舉升模塊，該機(jī)構(gòu)對于保障行李的安全運(yùn)送至關(guān)重要，任何600 mm×800 mm面積的傳送質(zhì)量在400 kg以下。圖1為舉升機(jī)構(gòu)簡圖，其中，傳送帶裝置長度為8 m，傳送帶舉升前角度為5°，舉升后角度為24°，前支撐架長度2.5 m，后支撐架長度1 m，后支撐架與傳送帶的鉸點(diǎn)距傳送帶后端0.5 m，前支撐架橫梁距前支撐架與車體鉸點(diǎn)距離h1，前液壓缸組件與車體鉸點(diǎn)距前支撐架與車體鉸點(diǎn)X1，后支撐架橫梁距后支撐架與車體鉸點(diǎn)距離h2.

圖1 舉升機(jī)構(gòu)簡圖

圖2為前推桿鉸點(diǎn)各位置下H形架橫梁受力圖。根據(jù)受力圖我們可以看出，前H形架的橫梁的受力在仿真過程中，是呈不斷減小的趨勢的，最大值出現(xiàn)在仿真剛剛開始的時候。通過10次同時改變H形架的橫梁與豎梁的兩個鉸點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，我們得出10條不同的H形架的橫梁的受力圖。根據(jù)受力表中的數(shù)據(jù)，我們可以看到，受力最小的點(diǎn)發(fā)生在H形架橫梁到H形架與車底盤鉸點(diǎn)距離為1 150 mm時，最小值為30 284.3 N。

根據(jù)受力圖我們可以看出，后H形架的橫梁的受力在仿真過程中，是呈不斷增大的趨勢的，最大值出現(xiàn)在仿真就要結(jié)束的時候。通過5次同時改變H形架的橫梁與豎梁的兩個鉸點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，我們得出5條不同的H形架的橫梁的受力圖。根據(jù)受力表中的數(shù)據(jù)，我們可以看到受力最小的點(diǎn)發(fā)生在H形架橫梁到H形架與車底盤鉸點(diǎn)距離為400 mm時，最小值為41 582.3 N。

經(jīng)多體動力學(xué)分析[4-5]計算后，得到前、后舉升推桿的受力曲線一般規(guī)律，在運(yùn)動仿真過程中參數(shù)值無突變、驟停以及干涉問題。為了優(yōu)化舉升過程，將H形架的橫梁和左右兩邊豎梁的鉸點(diǎn)以及推桿與車底盤的鉸點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化分析，如圖6和圖7所示。最終得到優(yōu)化位置結(jié)果如表1所示，對于前推桿與車底盤的鉸點(diǎn)位置的優(yōu)化，效果尤為明顯，使前H形架橫梁的受力減小將近6倍。對前H形架的橫梁和左右兩邊豎梁的鉸點(diǎn)的優(yōu)化，雖然沒有對前絲杠與車底盤的鉸點(diǎn)位置的優(yōu)化效果這么明顯，但是也起到了減小H形架橫梁的受力的作用。雖然對后H形架我們只優(yōu)化了橫梁和左右兩邊豎梁的鉸點(diǎn)，但是也起到了一定的減小后H形架橫梁的受力的作用。

圖2 前推桿鉸點(diǎn)各位置下H形架橫梁受力圖

表1 雙缸驅(qū)動舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化前后對比

2 無人駕駛模式設(shè)計及模型制作

本研究主要設(shè)計自動駕駛和避障功能的智能化機(jī)場電動行李車。行李車在預(yù)設(shè)的機(jī)場地圖中運(yùn)行，如圖3所示，通過接收任務(wù)模塊信息，自動規(guī)劃出最優(yōu)路徑。在車輛行進(jìn)過程中，能夠自主識別障礙物并避讓或緊急制動。同時，車輛擁有緊急預(yù)處理系統(tǒng)，可通過手動改善車輛的行駛狀態(tài)，保證其安全性與穩(wěn)定性。

圖3 機(jī)場布局簡化圖

圖4 路徑規(guī)劃仿真效果圖

先進(jìn)行行李車路徑規(guī)劃仿真。由于民用機(jī)場環(huán)境設(shè)施、車輛、機(jī)位等位置較為固定，因此，利用MATLAB軟件將機(jī)場停機(jī)坪固定障礙分布信息輸入地圖矩陣當(dāng)中，得到仿真地圖，選用適用于分析信息已知且環(huán)境較穩(wěn)定的蟻群算法進(jìn)行最優(yōu)路徑仿真。將行李車起始坐標(biāo)及目標(biāo)機(jī)位的終點(diǎn)坐標(biāo)輸入程序中，進(jìn)行100～500次迭代運(yùn)算，繪制出了最優(yōu)路徑規(guī)劃仿真路線，如圖4所示。在進(jìn)行多次MATLAB全局路徑規(guī)劃仿真后，綜合分析得出最優(yōu)路線，對仿真路線進(jìn)行離散化取值，將離散坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值導(dǎo)入車輛的行駛操作程序，再由上位機(jī)連接藍(lán)牙遠(yuǎn)程操作車輛選擇任務(wù)機(jī)位，車輛接收指令并執(zhí)行對應(yīng)的路線行駛程序，自主移動至目標(biāo)處。在車輛自主移動過程中，如果遇到移動障礙物，則會進(jìn)行緊急制動并發(fā)出警告，執(zhí)行避障程序，待遠(yuǎn)離移動障礙物后，繼續(xù)按既定路線行駛。控制核心選用STM32F103主控芯片，外接藍(lán)牙傳輸模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等，系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 硬件模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在避障模塊中，我們使用模擬紅外傳感器和超聲波測距傳感器檢測車輛周圍障礙距離。主控單片機(jī)計算采集到的傳感器數(shù)據(jù)，輸出一定占空比的PWM波及轉(zhuǎn)向信號給電機(jī)驅(qū)動，改變直流電機(jī)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)避障功能。

圖6 行李傳送車模型車

我們采用鋁合金加工、3D打印等技術(shù)，完成了電動行李車的模型制作，如圖6所示。模型車輛搭載多傳感器，完成自動避障功能測試。通過傳感器采集周圍環(huán)境信息并反饋給單片機(jī)，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)改變車輛轉(zhuǎn)彎、直行、掉頭等行駛狀態(tài)，同時加入了按鍵控制、信號燈指示和動態(tài)顯示屏，可對小車行駛參數(shù)作微調(diào)整，指示車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)。

圖7 模型車功能測試

在我們設(shè)計的模擬沙盤環(huán)境中，通過上位機(jī)給車輛發(fā)送任務(wù)指令，圖7（a）所示模型車正在停車區(qū)接收任務(wù)指令，車輛從起始位置接收到任務(wù)信息后，按照既定路線行駛；圖7（b）為車輛行進(jìn)狀態(tài)，行駛過程中遇到移動障礙物時，車輛會緊急制動或避讓，同時警示信號燈亮起；圖7（c）為車輛在運(yùn)行過程檢測到障礙物時正在采取緊急制動措施；當(dāng)障礙物移開后，車輛恢復(fù)運(yùn)行并最終到達(dá)任務(wù)點(diǎn)，如圖7（d）所示。

3 結(jié)束語

本作品研究的民航智能電動行李傳送車，除了滿足其作為可移動式行李傳送裝置的基本功能要求外，還具有自行路徑規(guī)劃和緊急制動、避障功能，在響應(yīng)國家節(jié)能減排和民航內(nèi)特種車輛“油改電”計劃號召的同時，符合未來綠色化、智能化的機(jī)場建設(shè)理念，對于今后研發(fā)智能化電動特種車輛具有一定的理論和應(yīng)用參考價值。