芮宏斌，張森，閆修鵬，解曉琳，黃川，曹偉，李路路

（1. 西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048；2. 中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，鄭州 451191；3. 河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471000；4. 北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

移動(dòng)機(jī)器人在軍事、智能交通、生產(chǎn)自動(dòng)化及空間探測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，目前主要的移動(dòng)方式有輪式、履帶式、足式和混合式等[1-3]。其中，輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、高速機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)[4]，但越障能力不足。履帶式移動(dòng)作為傳統(tǒng)越障機(jī)構(gòu)，越障性能良好，但總體較為笨重[5]。足式移動(dòng)來(lái)源于生物的邁步，具有優(yōu)越越障性能，但控制系統(tǒng)極其復(fù)雜，且速度普遍較低[6]?；旌鲜揭苿?dòng)屬于前述移動(dòng)類(lèi)型中兩種及其以上移動(dòng)方式的組合，可根據(jù)不同運(yùn)行環(huán)境采用不同的驅(qū)動(dòng)形式，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，但控制復(fù)雜[7]。目前已有較多的科研機(jī)構(gòu)致力于特殊行駛機(jī)構(gòu)的研發(fā)工作，南京工程學(xué)院研發(fā)一款旋轉(zhuǎn)式輪履復(fù)合機(jī)器人[8]，徐州工程學(xué)院研發(fā)一種氣動(dòng)輪式跳躍機(jī)器人[9]，天津中德傳動(dòng)公司研制一款腿式跳躍機(jī)器人[10]等，研發(fā)一種環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的行駛機(jī)構(gòu)具有很大的研究意義。

傳統(tǒng)輪式移動(dòng)機(jī)器人多采用麥克納姆輪，結(jié)合分布式驅(qū)動(dòng)方式以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的靈活運(yùn)動(dòng)，在室內(nèi)等優(yōu)良環(huán)境下得到了廣泛的應(yīng)用[11]。但傳統(tǒng)的分布式驅(qū)動(dòng)增加了輪式移動(dòng)機(jī)器人的簧下質(zhì)量，不利于移動(dòng)機(jī)器人的越障，極大的限制了移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境。另外，采用麥克納姆輪作為驅(qū)動(dòng)輪的移動(dòng)機(jī)器人，難以抑制自身的橫向運(yùn)動(dòng)，且對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)精度要求更高，增大了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度。針對(duì)上述不足之處，本文提出一種特殊的移動(dòng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)，自身能夠靈活運(yùn)行的同時(shí)，具有較強(qiáng)的越障能力，且實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向過(guò)程中驅(qū)動(dòng)輪的純滾動(dòng)，具有良好的野外環(huán)境適應(yīng)性能。

1 底盤(pán)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，移動(dòng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)主要由動(dòng)力總成、行駛機(jī)構(gòu)及平衡搖臂機(jī)構(gòu)這3部分組成。

動(dòng)力總成采用雙功率差速系統(tǒng)，由差速器、電磁離合器、主副驅(qū)動(dòng)電機(jī)及直角減速機(jī)等部件組成，通過(guò)主副電機(jī)的協(xié)調(diào)配合，完成動(dòng)力分配及輸出。行駛機(jī)構(gòu)主要由兩側(cè)擺臂、擺臂首末兩端擺腿及車(chē)輪等部件組成，通過(guò)同步帶將動(dòng)力由動(dòng)力總成傳遞到車(chē)輪，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞及轉(zhuǎn)向。平衡搖臂機(jī)構(gòu)由搖臂本體、左右側(cè)連接臂等部件組成，通過(guò)平衡搖臂將底盤(pán)本體與左右擺臂連接起來(lái)，并限制擺腿擺動(dòng)幅度，靠擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)適應(yīng)起伏路面，以實(shí)現(xiàn)車(chē)體平衡及整車(chē)較強(qiáng)的越障能力。

1.1 雙功率差速系統(tǒng)及動(dòng)力傳遞與分配

底盤(pán)的雙功率差速系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、齒輪副、差速器、電磁離合器及半軸組成，其目的在于實(shí)現(xiàn)底盤(pán)動(dòng)力的靈活分配。

如圖2所示，主電機(jī)通過(guò)齒輪副將動(dòng)力傳遞給差速器，從而帶動(dòng)左、右半軸轉(zhuǎn)動(dòng)；副電機(jī)通過(guò)齒輪副將動(dòng)力傳遞給電磁離合器，由電磁離合器將動(dòng)力接入右半軸。

圖2 底盤(pán)動(dòng)力總成

動(dòng)力輸出到左半軸之后，通過(guò)同步帶2及同步帶輪4，經(jīng)由導(dǎo)輪將動(dòng)力依次傳遞給同步帶輪3、同步帶輪1、同步帶輪2，最終帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3所示。后方輪子動(dòng)力傳遞過(guò)程與前輪一致，右側(cè)擺臂上輪子的動(dòng)力傳遞與左側(cè)一致。

圖3 左側(cè)擺臂動(dòng)力傳遞

副驅(qū)動(dòng)電機(jī)停轉(zhuǎn)，電磁離合器脫開(kāi)，此時(shí)僅有主驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)力輸出，實(shí)現(xiàn)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，如圖4a）所示。主驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作的基礎(chǔ)上，副驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，電磁離合器吸合，可將副電機(jī)的動(dòng)力接入右半軸，實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，如圖4b）所示。主驅(qū)動(dòng)電機(jī)停轉(zhuǎn)，副驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常工作，電磁離合器吸合，副驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力接入右半軸，依據(jù)差速器原理可得

式中：nH、nL、nR分別為差速器外殼轉(zhuǎn)速、左半軸轉(zhuǎn)速、右半軸轉(zhuǎn)速。

對(duì)應(yīng)所設(shè)計(jì)的移動(dòng)底盤(pán)可以得出：

式中：nmain、nsub分別為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速及副驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

據(jù)此，可以得出

即實(shí)現(xiàn)左右兩側(cè)轉(zhuǎn)速大小相等、方向相反，為原地轉(zhuǎn)向提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)模式，如圖4c）所示。

圖4 電機(jī)的3種驅(qū)動(dòng)模式

1.2 純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)向動(dòng)力傳遞

轉(zhuǎn)向擺腿動(dòng)力來(lái)自于各自獨(dú)立的轉(zhuǎn)向電機(jī)，轉(zhuǎn)向電機(jī)將動(dòng)力經(jīng)由減速機(jī)傳遞給擺腿轉(zhuǎn)向軸，擺腿轉(zhuǎn)向軸與擺腿固接，即實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向軸與擺腿一同轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖5a）所示。

如圖5b）和圖5c）所示，擺腿由位置A轉(zhuǎn)動(dòng)到位置B，轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向擺腿一同轉(zhuǎn)動(dòng)α角，此時(shí)同步帶輪1相對(duì)于轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)α 角，則同步帶輪1上的同步帶移動(dòng)的距離為

圖5 擺腿轉(zhuǎn)向示意圖

式中：d1為 同步帶輪1的直徑；α為轉(zhuǎn)向擺腿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；l1為帶輪1上的同步帶移動(dòng)的距離。

由于同步帶傳輸，同步帶輪2轉(zhuǎn)過(guò)的角度β為

式中d2為同步帶輪2的直徑。在此過(guò)程中，同步帶輪2帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)輪邊緣實(shí)際移動(dòng)過(guò)的距離l3為

式中r為車(chē)輪半徑。

由位置A轉(zhuǎn)動(dòng)到位置B車(chē)輪邊緣需要移動(dòng)的距離l4為

式中S為擺腿轉(zhuǎn)軸中心到車(chē)輪寬度方向中心的距離。

要實(shí)現(xiàn)純滾動(dòng)，則需要l3=l4，即滿(mǎn)足

結(jié)合式（6）和式（9）可以得出

因此，只需保證同步帶輪1、2的直徑之比等于擺腿長(zhǎng)度與車(chē)輪半徑之比，便可以實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻的純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向。

通過(guò)增加轉(zhuǎn)向軸與輪子間的距離，加長(zhǎng)了轉(zhuǎn)向力臂，利用同步帶傳動(dòng)將摩擦轉(zhuǎn)向變?yōu)闈L動(dòng)轉(zhuǎn)向，并實(shí)現(xiàn)該過(guò)程的純滾動(dòng)，相比于普通摩擦轉(zhuǎn)向，這種轉(zhuǎn)向方式使得轉(zhuǎn)向更加輕松，極大的提高了在復(fù)雜環(huán)境中的轉(zhuǎn)向性能。

1.3 平衡搖臂調(diào)整機(jī)構(gòu)

平衡搖臂調(diào)整機(jī)構(gòu)由側(cè)搖臂、本體連接柱及中間搖臂組成，其作用在于限制兩側(cè)擺臂擺動(dòng)幅度，連接車(chē)身本體與兩側(cè)擺臂，實(shí)現(xiàn)在越障過(guò)程中將車(chē)身本體擺動(dòng)幅度限制在較小范圍內(nèi)的同時(shí)，依靠?jī)蓚?cè)擺臂的擺動(dòng)來(lái)適應(yīng)地形，提高越障能力。

如圖6所示，本體連接柱用于連接底盤(pán)本體與中間搖臂，中間搖臂與本體連接柱通過(guò)旋轉(zhuǎn)副連接；中間搖臂與側(cè)搖臂之間采用具有運(yùn)動(dòng)范圍限制的球面副連接，側(cè)搖臂與側(cè)擺臂支承之間也由具有運(yùn)動(dòng)范圍限制的球面副連接；側(cè)擺臂支承上固接著側(cè)擺臂，兩側(cè)擺臂可繞傳動(dòng)軸做一定角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖6 平衡搖臂調(diào)整機(jī)構(gòu)

如圖7所示，在越障過(guò)程中，側(cè)擺臂遇到障礙物后繞傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，該側(cè)車(chē)輪位置升高，同時(shí)帶動(dòng)中間搖臂繞本體連接柱轉(zhuǎn)動(dòng)，該側(cè)側(cè)搖臂適當(dāng)向前移動(dòng)，另一側(cè)側(cè)搖臂適當(dāng)后移，使得兩側(cè)擺臂的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度產(chǎn)生差異。整個(gè)平衡搖臂機(jī)構(gòu)將兩側(cè)擺臂與車(chē)身本體連接，進(jìn)而限制了兩側(cè)擺臂的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度及底盤(pán)本體的起伏幅度，在一定范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)越障過(guò)程中底盤(pán)本體與擺臂本體轉(zhuǎn)動(dòng)的分離，靠?jī)蓷l擺臂實(shí)現(xiàn)起伏路面的自適應(yīng)，而底盤(pán)本體重心不隨路面起伏變化而變化，相比于普通底盤(pán)，本底盤(pán)結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)越障能力，環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)。

圖7 底盤(pán)越障過(guò)程

2 底盤(pán)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

2.1 底盤(pán)運(yùn)動(dòng)模式分析

移動(dòng)底盤(pán)通過(guò)控制轉(zhuǎn)向擺腿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，結(jié)合1.2節(jié)中動(dòng)力傳遞與分配，可以實(shí)現(xiàn)不同的行駛模式。

2.1.1 4WS運(yùn)動(dòng)模式

相比于普通阿克曼轉(zhuǎn)向， 4WS運(yùn)動(dòng)模式在正常行駛中實(shí)現(xiàn)了更小的轉(zhuǎn)向半徑，在狹小空間內(nèi)更靈活。如圖8所示，圖中：O1、O2、O3、O4分別為轉(zhuǎn)向過(guò)程中輪A、B、C、D的轉(zhuǎn)向中心；M為底盤(pán)質(zhì)心；VM為 底盤(pán)的質(zhì)心速度；ωM為底盤(pán)繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的角速度； δI、δO、β1、β2、β3、β4分別為轉(zhuǎn)向過(guò)程中內(nèi)側(cè)擺腿、外側(cè)擺腿、內(nèi)側(cè)前輪擺腿、外側(cè)前輪擺腿、內(nèi)側(cè)后輪擺腿及外側(cè)后輪擺腿的擺動(dòng)角度；L、H分別為底盤(pán)前后及底盤(pán)左右兩端擺腿轉(zhuǎn)向軸間距離。

圖8 4WS轉(zhuǎn)向模式

規(guī)定逆時(shí)針轉(zhuǎn)向?yàn)閿[腿轉(zhuǎn)動(dòng)的正方向，則在該運(yùn)動(dòng)模式下，內(nèi)外轉(zhuǎn)角滿(mǎn)足如下關(guān)系：

以?xún)?nèi)側(cè)擺腿轉(zhuǎn)動(dòng)角度作為參考，結(jié)合式（11）得出內(nèi)外側(cè)擺腿轉(zhuǎn)動(dòng)角度關(guān)系如圖9所示。

圖9 4WS模式下內(nèi)、外側(cè)擺腿角度關(guān)系

在不考慮滑移的理想情況下，移動(dòng)底盤(pán)各輪子及質(zhì)心處的轉(zhuǎn)向半徑滿(mǎn)足如下關(guān)系：

式中：RA、RB、RC、RD、RM分別為內(nèi)側(cè)前輪、外側(cè)前輪、內(nèi)側(cè)后輪、外側(cè)后輪、底盤(pán)質(zhì)心在轉(zhuǎn)向運(yùn)行過(guò)程中的轉(zhuǎn)向半徑。

4WS運(yùn)動(dòng)模式行駛過(guò)程中的內(nèi)側(cè)輪速為

式中：VA、VC分別為內(nèi)側(cè)前輪及內(nèi)側(cè)后輪輪速；itotal為行駛系統(tǒng)總傳動(dòng)比。

4WS運(yùn)動(dòng)模式下底盤(pán)質(zhì)心速度VM與轉(zhuǎn)向過(guò)程中的角速度ωM分別為：

2.1.2 蟹型運(yùn)動(dòng)模式

蟹型運(yùn)動(dòng)模式下，各個(gè)轉(zhuǎn)向擺腿的擺動(dòng)位置如圖10所示。

圖10 蟹型模式

蟹型模式可以在不改變底盤(pán)自身姿態(tài)的情況下，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)底盤(pán)的斜向移動(dòng)，類(lèi)似于圖形變換中的平移，一定程度上簡(jiǎn)化了底盤(pán)的姿態(tài)變換。

在蟹型運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)向擺腿的擺動(dòng)角度滿(mǎn)足

此時(shí)，各個(gè)輪子的輪速與幾何中心的運(yùn)動(dòng)速度相等，即

2.1.3 原地轉(zhuǎn)向模式

原地轉(zhuǎn)向模式需先將轉(zhuǎn)向擺腿轉(zhuǎn)到固定位置，如圖11所示，結(jié)合1.1小節(jié)中原地轉(zhuǎn)向模式動(dòng)力分配原理及圖4c），便可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向功能。

圖11 原地轉(zhuǎn)向模式

原地轉(zhuǎn)向模式下，各個(gè)轉(zhuǎn)向擺腿角度關(guān)系為

轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)輪子的輪速為

原地轉(zhuǎn)向的角速度為

結(jié)合上述運(yùn)動(dòng)原理，對(duì)4WS運(yùn)動(dòng)模式下移動(dòng)底盤(pán)的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。如圖12所示，Xg-Yg、Xr-Yr分別為全局坐標(biāo)系、機(jī)器人坐標(biāo)系，P、θ、ω分別為瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心、航向角及繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的車(chē)體角速度。

圖12 底盤(pán)運(yùn)動(dòng)示意圖

在XOY平面內(nèi)繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為

進(jìn)一步得出移動(dòng)底盤(pán)在4WS運(yùn)動(dòng)模式下由機(jī)器人坐標(biāo)系到全局坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換關(guān)系，并結(jié)合式（18）和式（19），得出底盤(pán)在全局坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)為

式中：f(nmain,δI)、g(nmain,δI)分別為關(guān)于主電機(jī)轉(zhuǎn)速與內(nèi)側(cè)擺腿角度的函數(shù)，參照式（18）和式（19）。

2.2 雙電機(jī)4WS模式下主副電機(jī)轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)

雙功率差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)目的就是進(jìn)行動(dòng)力的靈活分配，以匹配不同的運(yùn)動(dòng)模式，當(dāng)?shù)妆P(pán)運(yùn)行在4WS運(yùn)動(dòng)模式且采用雙電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向過(guò)程中因左、右半軸的轉(zhuǎn)速不同，需要對(duì)主、副驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)，以保證副驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力接入后對(duì)總體動(dòng)力輸出起助力作用。

左轉(zhuǎn)過(guò)程中，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)一側(cè)需要降速，副驅(qū)動(dòng)電機(jī)一側(cè)需要提速，結(jié)合式（2）、式（11）、式（14）和式（15）可得出主驅(qū)動(dòng)電機(jī)與副驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速之比為

右轉(zhuǎn)過(guò)程中，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)一側(cè)需要加速，副驅(qū)動(dòng)電機(jī)一側(cè)需要減速，同樣結(jié)合式（2）、式（11）、式（14）和式（15）可以得出主驅(qū)動(dòng)電機(jī)與副驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速之比為左轉(zhuǎn)以副電機(jī)轉(zhuǎn)速作為參考轉(zhuǎn)速，右轉(zhuǎn)以主電機(jī)轉(zhuǎn)速作為參考轉(zhuǎn)速，結(jié)合式（13）、式（26）和式（27）可以得出左、右轉(zhuǎn)過(guò)程中主電機(jī)與副電機(jī)轉(zhuǎn)速比值關(guān)于參考轉(zhuǎn)速的曲線(xiàn)，如圖13所示。

圖13 轉(zhuǎn)彎過(guò)程中主、副電機(jī)轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)曲線(xiàn)

2.3 底盤(pán)多電機(jī)同步控制

受負(fù)載、工況、通訊等多重因素的影響，多電機(jī)運(yùn)行必然存在一定程度的同步問(wèn)題，根據(jù)對(duì)同步性能差異容忍程度的高低，可采取一定措施使各電機(jī)之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速相互制約。移動(dòng)底盤(pán)采用4個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，為保證底盤(pán)良好的轉(zhuǎn)向性能，對(duì)底盤(pán)的4個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行同步性能探究。

在眾多的同步控制結(jié)構(gòu)當(dāng)中，偏差耦合控制結(jié)構(gòu)可以快速完成動(dòng)態(tài)速度補(bǔ)償，且適用于3臺(tái)及其以上電機(jī)系統(tǒng)的同步控制，電機(jī)數(shù)量理論上可以任意擴(kuò)展，相比于其他同步控制結(jié)構(gòu)，更適用于該移動(dòng)底盤(pán)的控制[12-16]。這里通過(guò)考慮受控電機(jī)與各個(gè)子電機(jī)之間的同步誤差、受控電機(jī)自身跟隨誤差、其余各個(gè)子電機(jī)自身跟隨誤差，將這3部分組合起來(lái)作為誤差反饋量，結(jié)合輸入量共同作用于受控電機(jī)，可以明顯的提高電機(jī)之間的同步性能，使得當(dāng)有電機(jī)因某些因素轉(zhuǎn)速與其余電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速不同步時(shí)，通過(guò)所設(shè)計(jì)的偏差耦合控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各電機(jī)轉(zhuǎn)速的相互制約，快速趨于一致。

底盤(pán)對(duì)應(yīng)的多電機(jī)偏差耦合模塊的總體框架如圖14所示。

圖14 底盤(pán)4個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)的偏差耦合控制模塊

在圖14所示的控制模塊下，以第一個(gè)電機(jī)為例，其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速誤差補(bǔ)償反饋模塊如圖15所示。

圖15 第一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差補(bǔ)償反饋模塊

圖15 中：n、n1、n2、n3、n4分別表示輸入轉(zhuǎn)速及電機(jī)1、2、3、4的反饋轉(zhuǎn)速；K12、K13、K14分別表示電機(jī)1與各個(gè)子電機(jī)同步誤差的反饋增益；K1表示輸入轉(zhuǎn)速的增益倍數(shù)，該值由電機(jī)數(shù)目決定；K2表示增益后輸入轉(zhuǎn)速與整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)4個(gè)電機(jī)的反饋轉(zhuǎn)速之差的總體增益；e1表示第一個(gè)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償反饋模塊的最終誤差輸出。由此可以得出

結(jié)合上述控制模塊及式（29），利用MATLAB的Simulink仿真模塊對(duì)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真測(cè)試[17]。理想輸入轉(zhuǎn)速為1000 r/min，在多個(gè)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程的第6 s加入負(fù)載擾動(dòng)，得出該時(shí)間段的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況，其結(jié)果如圖16所示。

圖16 加入偏差耦合控制模塊前后同步效果對(duì)比

圖16a）為未加入偏差耦合控制模塊，僅考慮了受控電機(jī)的自身跟隨誤差；圖16b）為有偏差耦合模塊，考慮了受控電機(jī)與子電機(jī)間同步誤差及受控電機(jī)跟隨誤差；圖16c）為加入了同時(shí)考慮受控電機(jī)自身跟隨誤差、電機(jī)間同步誤差和子電機(jī)跟隨誤差的偏差耦合控制模塊。

仿真結(jié)果表明無(wú)耦合控制模塊時(shí)，其余電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速突變電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨能力為0；在加入了考慮同步誤差的偏差耦合控制模塊后，其余電機(jī)具有了一定的轉(zhuǎn)速跟隨能力；加入同時(shí)考慮同步誤差和跟隨誤差的偏差耦合控制模塊后，可加速電機(jī)轉(zhuǎn)速的跟隨過(guò)程，更快的趨于一致，消除運(yùn)行過(guò)程中的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，極大提高了底盤(pán)運(yùn)行過(guò)程中的轉(zhuǎn)向性能，為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的搭建提供理論依據(jù)。

3 底盤(pán)系統(tǒng)搭建及測(cè)試

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的正確性與可行性，對(duì)底盤(pán)結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)進(jìn)行搭建，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。底盤(pán)參數(shù)：總長(zhǎng)810 mm，總寬720 mm，總高360 mm，總重62 kg，S= 90 mm，H= 396 mm，L= 500 mm，r= 90 mm，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率0.4 kW，扭矩1.27 Nm。

樣機(jī)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果如圖17所示。圖17a）所示3張圖片分別為4WS轉(zhuǎn)向模式、蟹型模式、原地轉(zhuǎn)向模式運(yùn)行姿態(tài)，圖17b）為該移動(dòng)底盤(pán)在戶(hù)外測(cè)試運(yùn)行的實(shí)際效果。

圖17 樣機(jī)測(cè)試

表1中數(shù)據(jù)來(lái)自于11位精度的角度傳感器測(cè)量及數(shù)據(jù)解析，分別為測(cè)試4WS模式最大轉(zhuǎn)角位置對(duì)應(yīng)姿態(tài)、蟹型模式內(nèi)側(cè)擺角14.92°對(duì)應(yīng)位置、原地轉(zhuǎn)向姿態(tài)對(duì)應(yīng)位置的內(nèi)外側(cè)擺腿角度數(shù)值。

表1 某一時(shí)刻3種運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)角度實(shí)測(cè)

4 結(jié)論

1）提出一種雙功率差速動(dòng)力系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)底盤(pán)動(dòng)力的靈活分配；提出一種平衡搖臂結(jié)構(gòu)，并據(jù)此設(shè)計(jì)一種移動(dòng)底盤(pán)，實(shí)現(xiàn)了底盤(pán)較強(qiáng)越障能力。

2）建立了雙功率動(dòng)力分配模型、純滾動(dòng)模型及底盤(pán)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)模型，分析各自對(duì)應(yīng)原理，得出了底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)控制策略，從理論上驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

3）設(shè)計(jì)偏差耦合控制模塊，提高了各轉(zhuǎn)向電機(jī)之間同步性能，加快了轉(zhuǎn)向電機(jī)間轉(zhuǎn)速趨于一致的過(guò)程，提高了移動(dòng)底盤(pán)轉(zhuǎn)向過(guò)程中各轉(zhuǎn)向電機(jī)間的同步性能。

4）設(shè)計(jì)了底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)行樣機(jī)整體的搭建與測(cè)試，樣機(jī)運(yùn)行測(cè)試表明所設(shè)計(jì)底盤(pán)理論的正確性與可行性，底盤(pán)在正常運(yùn)行的同時(shí)，能夠適應(yīng)不同環(huán)境，具有較強(qiáng)越障能力，表現(xiàn)出良好的野外適應(yīng)性能。