AGV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及動力學(xué)建模型

1、精品好資料學(xué)習(xí)推薦2.AGV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及動力學(xué)建模型內(nèi)容提要：設(shè)計了一輛前后輪分獨立驅(qū)動的小車，后輪用步進電機驅(qū)動，實現(xiàn)動力源，前輪由私服電機驅(qū)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。并建立其動力學(xué)方程。2.1 AGV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)置所設(shè)計的AGV小車的模型如圖2.1所示。小車采用前后輪獨立驅(qū)動的模式，后輪由電機帶動齒輪傳動，給與合適的動力源。前輪有電機帶動直推軸焊接橫軸來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。四輪結(jié)構(gòu)與三輪結(jié)構(gòu)相比有較大的負(fù)載能力和平穩(wěn)性。1. 蓄電池組 2. 伺服交流電動機 3. 激光掃描儀 4. 車載控制器5. 無線通訊裝置 6. 伺服交流電動機 7. 減速器 8. 驅(qū)動車輪圖2.1 AGV小車的模型圖由于采用了兩輪獨立驅(qū)動

2、差速轉(zhuǎn)動的方式，因此兩個驅(qū)動車輪的速度的同步性成，成為車輛穩(wěn)定運行的一個重要指標(biāo)。鑒于此，齒輪減速結(jié)構(gòu)與車輪通過柔性連軸器來連接。2.2 AGV小車的動力學(xué)建模自從 A G V問世以來，人們在自動導(dǎo)引車的控制過程中一般滿足于基于運動學(xué)的控制模型，而很少有人進行基于動力學(xué)的控制設(shè)計等方面的內(nèi)容。事實表明，根據(jù)AGV車體動力學(xué)模型，可以得到直接的電機輸入與行走、導(dǎo)向車輪轉(zhuǎn)速的非線性的耦合關(guān)系，將對指導(dǎo)車體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、路徑規(guī)劃以及合理的路徑跟蹤控制規(guī)律設(shè)計有重要而且深遠(yuǎn)的意義。由于 A G V在實際問題中有較嚴(yán)格地面要求的環(huán)境中運動，車速較低，限定了加速度的問題，而不會發(fā)生明顯的車體“上跳”運動的

3、現(xiàn)象出現(xiàn)，故可以在二維空間來研究其動力學(xué)模型?，F(xiàn)以我以后輪為電機帶動齒輪來實現(xiàn)動力驅(qū)動的方式傳達力矩，前輪則為由電機直接帶動軸的轉(zhuǎn)動從而達到轉(zhuǎn)動的方式來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的AGV為例建立動力學(xué)模型。AGV由車體、蓄電池和充電系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)向裝置、精確停車裝置、車上控制器、通信裝置、信息采樣子系統(tǒng)、超聲探障保護子系統(tǒng)、移載裝置和車體方位計算子系統(tǒng)等等組成?！爸悄堋陛^高的AGV都有車上控制器，它類似于機器人控制器，用以對AGV進行監(jiān)控?？刂破饔嬎銠C通過通信系統(tǒng)從地面站接受指令并報告自己的狀態(tài)。通常監(jiān)控器可完成以下監(jiān)控:手動控制、安全裝置啟動、蓄電池狀態(tài)、轉(zhuǎn)向極限、制動器解脫、行走燈光、驅(qū)動和轉(zhuǎn)向電機控制

4、和充電接觸器等。某些AGV具有編程能力，允許小車離開導(dǎo)引路徑，駛向某個示教地點，完成任務(wù)后路原道返問到導(dǎo)引路徑上來根據(jù)上述的介紹，我們可以不難看出同步行進的四輪 AG V機械結(jié)構(gòu)分為以下幾個部分:車體部分：包括車架、蓄電池、驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向電機和齒輪減速機構(gòu)等，車體受到由后輪傳動來的驅(qū)動力和前輪的反作用力的作用。驅(qū)動后輪：所受的外力可能有兩部分組成。一部分是地面的作用力：另一部分是來自車體給于的外力。其中這部分力包括自身的支撐反力和電機產(chǎn)生的等效驅(qū)動力矩等。通過齒輪改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)速率可以得到不用的轉(zhuǎn)速，從而改變AGV的的運動行進方向，已經(jīng)更好的做到預(yù)定的線路跟蹤。前軸和連軸：起到支撐作用，同時車

5、輪和豎軸是同軸的，前輪的轉(zhuǎn)動有地面給于的摩擦力也有電機傳遞的力矩。2.2.1 車體運動建模車體受力的示意圖見圖2.2。圖中L、A為驅(qū)動左后輪、和驅(qū)動右后輪與車體的連接處。圖中的R、B為導(dǎo)向左前輪和導(dǎo)向又前輪與車架連接處的垂直點。車體在L、R、A、和B處分別是受到圖示沿X、Y方向的阻力和沿Z方向的扭矩。C則為車體的重心，通過C建立起瞬時慣性坐標(biāo)系O-XYZ,X軸則平行于L=R的連線，Z軸垂直于車體的平面。為車體集合參數(shù)，分別表示的是車體質(zhì)心的X向、Y向的速度和Z向的角速度。在經(jīng)過了上述的假設(shè)的基礎(chǔ)之上，我們不難可以得到車體動力學(xué)方程如下： (2.1) (2.2) (2.3)上面式子中分別為車體質(zhì)

6、心的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。車體的前輪A、B處的運動方程為 （2.4） （2.5） （2.6） （2.7） （2.8） （2.9） （2.10） （2.11）車體L和R處運動的方程為：（2.12）（2.13） （2.14） （2.15） （2.16）（2.17）（2.18） (2.19)2.2.2 驅(qū)動后輪的運動建模左后輪受力圖見圖2.3所示，圖中瞬時慣性坐標(biāo)系L-與圖2.2的方向是一致的，可以認(rèn)為是由O-XYZ平移到L點從而形成的坐標(biāo)系，相對應(yīng)，他們是車體與左輪之間大小相等方向相反的作用力（力矩）和反作用力（力矩）。是驅(qū)動電機經(jīng)過齒輪減速后傳遞給左輪的驅(qū)動力矩，是軸承對左輪的摩擦阻力矩，是滾動阻力矩

7、，是地面對左輪的側(cè)滑動摩擦力，是軸承對左輪的滾動摩擦力，是地面對車輪的扭矩摩擦力矩，是左后輪的轉(zhuǎn)動角速度（為轉(zhuǎn)動軸）。左后輪動力學(xué)方程為(2.20) (2.21)(2.22)(2.23)上式中，分別是左后輪的質(zhì)量以及其沿著旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量、沿著軸的轉(zhuǎn)動慣量和半徑。為其在L-XYZ坐標(biāo)下的速度，與車體對應(yīng)點的速度是同一值。是左后軸沿軸的扭轉(zhuǎn)角速度。對于右后輪來說，傳動齒輪嚙合是在軸中心處，故左右受的力是相同的，因此建立類似的動力學(xué)方程為：(2.24)(2.25)(2.26)(2.27)上述各式中，有關(guān)物理量的具體意義同對左后輪的說明類似，這里就不做過多說明了。由于AGV速度和加速度均較小的原因，

8、輪子的側(cè)滑阻力很大，假設(shè)其中的。這樣看來車體將以位于左右輪軸線上的某一點為瞬時速度中心，以角速度w轉(zhuǎn)動，我們根據(jù)所了解的知識，我們不難看出一點，通過左右輪轉(zhuǎn)動計算，根據(jù)下圖2.4所示： 即：(2.28)（2.29） 將以上的2個式子帶入（2.14），（2.18）中可以看到（2.30）(2.3.1) 將代入式子（2.12）和式子（2.13）即可得 （2.32）(2.33)式子（2.14）和式子（2.15）可改寫成（2.34） （2.35） 式子（2.4）至式子（2.11）變?yōu)椋?.36） （2.37） （2.38） （2.39） （2.40） （2.41）(2.42) （2.43）2.2.3 車

9、體整體的動力學(xué)模型為了能夠更好的取得車體整體的動力學(xué)模型，根據(jù)AGV的實際情況作出如下的簡化：(1) 左右前輪和軸是一體的，再前行或后退的同時不打滑，只看做是純滾動，則有：(2) 車體設(shè)計左右是對稱的，則有：(3) 左輪的直徑及其質(zhì)量和右輪(4) 前輪左右也是一致的和后輪的大小重量以及有些不受力或比較想的部分我們可以忽略不計其的轉(zhuǎn)動慣量，即：在上述簡化后的基礎(chǔ)上，聯(lián)立前述車體、左右驅(qū)動后輪的動力方程可以得到車體整體的動力學(xué)方程。該動力學(xué)方程中可以表示為左、右輪所受的動力和左、右輪轉(zhuǎn)動的角速度之間的關(guān)系。任何一種導(dǎo)引方法的實現(xiàn)最終都?xì)w結(jié)為路徑跟蹤控制的問題上。對于固定路徑型的AGV由于具有體現(xiàn)路徑的導(dǎo)引媒介物，通過傳感器就可直接獲得車體對路徑的橫向偏差和車體方向偏差，以這種偏差作為誤差信號通過車體動力學(xué)直接對車體進行跟蹤控制。但是對于自由路徑型AGV，車體對路徑之偏差量的獲取就要困難得多，以車體方位推算導(dǎo)向的自由路徑AGV為例，其方位和對于路徑的偏差是通過對車輪轉(zhuǎn)動角度積分計算而獲得，其要實現(xiàn)需較大的計算量和通信量。作為一種較好的解決辦法是差速驅(qū)動的自由路徑控制。其路徑可簡化為一系列直線段和圓弧段的組合。只要保證左右輪的轉(zhuǎn)動角速度滿足給定的比例關(guān)系(即同步誤差為零)，AGV就能跟蹤這種具有恒定半徑(直線和圓弧)的路徑。車體動力學(xué)方程是實現(xiàn)差速驅(qū)動的理