基于ADAMS和MATLAB的轮式移动机器人路径跟踪研究

为了减少开发和研究成本,把Pro/E建立的轮式移动机器人三维模型导入机械动力学软件ADAMS中,添加外部载荷及约束,并在MATLAB/Simulink中建立轮式移动机器人的控制模型。通过Controls接口将两者连接起来,同时将ADAMS中测量得到的距离误差、航向误差、整体滑移角3个参数反馈给控制模型,实现联合仿真,模拟了实际轮式移动机器人在真实环境下的路径跟踪控制。通过对仿真结果的观察和分析,验证了联合仿真方法和路径跟踪算法的有效性。     

基于滑模变结构的轮式机器人双环轨迹跟踪控制

针对轮式机器人轨迹跟踪问题,提出了一种利用滑模变结构算法构建的双环轨迹跟踪控制系统。在基于轮式机器人运动学模型基础上,针对该非线性欠驱动系统采用滑模变结构算法设计了能够保证全局范围内渐近稳定的轨迹跟踪控制器,并构建了双环控制系统。通过内环系统控制角速度,实现对方向角的跟踪;外环控制器得到控制角之后实现对速度的控制,使机器人达到期望位姿状态。文中利用Lyapunov稳定性理论对所设计的闭环系统进行了稳定性分析,并通过仿真进一步验证了该控制系统的有效性。     

拖车系统车身摆振的非线性动力学分析

考虑轮胎和悬架减振器的非线性特性,建立包含侧向、横摆、侧倾运动的5自由度拖车系统动力学模型。应用非线性动力学的相关理论,对拖车系统的多平衡点特性以及在各平衡点附近的时域响应进行分析。在此基础上结合不足转向梯度和系统阻尼比特性对系统失稳机制进行研究,并分析了拖车系统参数与路面附着系数对系统动态临界车速的影响。研究发现,由于轮胎和悬架减振器非线性特性的耦合,拖车系统存在多个平衡点。拖车系统的初始状态和各个平衡点共同决定了其失稳机制。结合拖车系统不足转向梯度的定义,当牵引车为过度转向时,牵引车的后轴侧滑导致的车辆折叠失稳是系统车身失稳的一种形式。此时通过对牵引车的横摆角速度进行控制,可以有效地避免系统出现折叠失稳。此外,增大拖车轴距、拖车前轴距离牵引点的距离可以有效地提高系统的动态临界车速,从而提高拖车系统的动态稳定性。     

狭小空间直角角焊缝移动焊接机器人系统研制

针对大型结构件中狭小空间角焊缝焊接,提出了一种基于旋转电弧传感的新型移动焊接机器人系统。系统包括轮式移动本体、二维运动平台、旋转电弧传感器和超声传感器;系统采用二级跟踪策略——机器人本体粗跟踪和二维运动平台精确跟踪,采用旋转电弧传感器作为焊缝跟踪传感器,采用超声传感器作为避障传感器;建立了运动学模型,设计了参数自调整模糊控制器。实验表明该机器人系统能实现小空间中大折角角焊缝的自动焊接。     

轮式装载机电力驱动系统的性能分析

在依据轮式装载机的动力性能参数对电力驱动系统进行合理的匹配计算的基础上,结合空载、重载、转向、制动、牵引等工况的实验,对电力驱动系统的加速性能、差速性能、牵引性能以及效率进行分析,进一步验证了将轮式装载机的液力机械传动系统改造为轮边独立驱动的电力驱动系统的可行性.     

操舵构型移动机器人局部路径规划与跟踪

在笛卡尔坐标系中推导了一种连续曲率曲线，通过对其曲率特性进行分析，得到仅由姿态角改变量确定的最大曲率常数与路径曲线最大曲率之间的关系，从而求解出曲线方程中的转向位置参数。针对该曲线在前轮操舵与驱动构型移动机器人局部路径规划与跟踪中的应用给出了控制参量求解算法，并利用该构型的实验样机进行了路径跟踪实验。实验结果表明，这种连续曲率曲线的使用能够提高移动机器人跟踪目标曲线路径的精度。     

轮式移动焊接机器人输出反馈线性化控制

针对目前基于运动学模型的焊缝跟踪控制已经不能满足焊缝跟踪的高精度要求的问题,以一种后两轮差速驱动的5自由度轮式移动焊接机器人为对象,给出其动力学模型及其输出反馈线性化的过程,并提出一种基于此动力学的轮式移动焊接机器人路径跟踪控制方法。建立轮式移动机器人具有非完整力学系统形式的动力学模型,并推导出对应的状态反馈精确线性化模型。在此线性化模型基础上,考虑机器人动力学模型参数的不确定性,利用滑模变结构控制方法来设计动力学控制规律,选取线性切换函数和指数趋近律,设计滑模变结构控制器。并利用Lyapunov稳定性理论证明系统的稳定性且跟踪误差收敛,满足了移动机器人的轨迹跟踪要求,且具有设计方法简单、鲁棒性强的特点。通过仿真验证所提控制律的有效性和正确性。     

弹药运输专用拖车平顺性仿真及启动性能改进

运用UG软件建立了弹药运输专用拖车三维模型,导入到ADAMS软件中,建立了模型各个部件的约束关系,并重新建立了轮胎模型。依据国标要求建立了B级路面谱,采用抛下法,测量前后轴悬架系统固有频率,并与实车模态试验得到的一阶模态频率进行对比,验证了仿真计算的正确性。在不同车速下进行了B级路面满载的平顺性仿真,得到了匀速行驶时拖车质心位置振动加速度以及其加速度功率谱密度曲线,计算出了加速度均方根值。仿真结果表明该拖车能够满足额定车速下在B级路面上的行驶平顺性的要求,能够保证弹药的完整性。最后对拖车的起步性能进行了优化,大大减小了拖车的振动冲击,增加了牵引杆的疲劳寿命。     

基于Simulink的采煤机牵引调速系统的应用研究

针对现有采煤机的调速牵引机构在工作时需频繁进行牵引速度调整、调速滞后时间长、可靠性差的问题。以MG80/200型采煤机为分析对象,提出了一种新的调速牵引系统,利用simulink仿真分析软件建立其牵引调速系统的仿真分析模型,对其调速牵引过程进行研究。结果表明,该调速牵引系统能够实现对最优牵引调速曲线的精确、快速跟踪,调速精确性高,可靠性好,可极大地提升采煤机调速牵引机构工作时的稳定性和可靠性。     

凹坑路面条件下飞机地面牵引载荷的仿真分析

为了保证飞机地面牵引的安全性,运用虚拟样机技术模拟牵引系统经过地面凹坑时飞机牵引载荷的变化,有效的预测飞机经过加油管地沟时拖把与飞机连接处牵引载荷和前起落架下阻力臂载荷的变化。基于Catia和Adams软件,建立了拖车-飞机系统模型,结合Boeing737-800的实际数据进行仿真分析实验。仿真实验表明拖把与飞机连接处牵引载荷和前起落架下阻力臂的受力载荷一般随着地面凹坑宽度、高度和牵引速度的增大而增大,且经过加油管地沟第二个边缘比第一个边缘时下阻力臂与缓冲支柱连接处的载荷变化较大。     

基于比例控制的某三轴挂车转向系统设计

对某三轴挂车四轮转向系统的特性进行了研究,推导出其线性二自由度四轮转向汽车模型和稳态横摆角速度增益。稳态计算和优化结果表明,只要各轴间距布置合理及前后轮转向角比例控制合理,就能使该四轮转向系统达到较优的转向性能。     

应用于汽车操纵稳定性试验的转向机器人控制器设计

针对汽车操纵稳定性试验,设计转向机器人代替驾驶员操纵方向盘。在完成转向机器人机械部分设计的基础上,进行控制器设计,并进行转角跟踪测试试验。试验结果表明:转向机器人能够实现对方向盘的控制,完成转角的精确输入。     

Active disturbance rejection control in steering by wire haptic systems

This paper introduces a steering by wired haptic system based on disturbance rejection control techniques. High gain Generalized Proportional Integral (GPI) observers are considered for the estimation of tire and steering wheel dynamic disturbances. These disturbances are on line canceled to ensure tracking between the commanded steering wheel angle and the tire orientation angle. The estimated disturbances at the steering rack are feedback to the steering wheel to provide a haptic interface with the driver. The overall system behaves as a bilateral master-slave system. Very few sensors and minimum knowledge of the dynamic model are required. Experimental results are presented on a prototype platform that consists on: (1) half of the steering rack of a beetle VW vehicle, (2) a steering wheel.     

基于控制分配的主动前轮独立转向车辆转角分配算法

针对新近提出的主动前轮独立转向(AIFS)系统基于规则的转角分配方法自适应性差、无法实现最优分配的问题,提出了一种基于控制分配的转角分配算法。指出了传统主动前轮转向(AFS)存在的问题,阐述了主动前轮独立转向系统的结构和工作原理;在MATLAB/Simulink中建立了整车四自由度数学模型,设计了AIFS滑模控制器和转角分配模块;通过阶跃转向工况对所提出的转角分配算法进行了仿真验证。结果表明：该分配算法可以使AIFS自适应内外轮载荷转移变化,自动调整内外轮转角大小,较AFS可以更好地跟踪理想横摆角速度和理想运动轨迹,实现了“能力越大的轮胎贡献越大”的控制目标,提高了车辆极限转弯时的侧向稳定性。       

多桥转向全路面起重机操纵稳定性研究

根据汽车起重机多桥转向系统的动力学方程普适公式，建立了MATLAB／Simulink仿真模型，分析了多桥转向各桥的转向比关系，并以三桥转向为例，对前轮转向和多桥转向在时域比较分析，其中多桥转向采用零侧偏角比例控制策略。分析结果表明，采用零侧偏角比例控制多桥转向，可以使系统在任意速度下的侧偏角稳态值为零，转向过程更平稳；并且使横摆角速度的稳态值变化范围减小，驾驶员操作更舒适，显著改善了系统的操纵稳定性。     

基于T-S模糊变权重MPC的智能车轨迹跟踪控制

为了协调智能驾驶车辆的轨迹跟踪精确性和稳定性,提高控制算法对不同工况的自适应能力,提出基于Takagi-Sugeno模糊变权重模型预测控制(Takagi-Sugeno fuzzy model predictive control,T-S FMPC)的轨迹跟踪控制策略。以前轮转角为控制变量建立MPC控制,并以实时横向位移误差和横摆角误差为模糊输入,通过T-S模糊控制在线优化MPC目标函数权重,协调权重矩阵对轨迹跟踪精确性和稳定性的影响。基于Carsim建立分布式驱动电动汽车的整车动力学模型,基于Simulink建立控制策略,通过双移线工况仿真及实车试验,验证了所提控制策略的有效性。仿真结果表明,相比于传统MPC控制,所提出的T-S模糊变权重MPC控制可降低横向位移误差达62.24%,有效提高轨迹跟踪精度;并且可使前轮转角波动减小37.46%、横摆角误差减小84.19%,显著增强轨迹跟踪稳定性;试验结果表明,在20 km/h、沥青路面双移线工况下,横向位移误差在0.12 m以内,横摆角误差在1°以内,且前轮转角控制曲线平滑,说明所提算法具有良好的控制效果和实用性。     

驾驶员理想转向盘力矩特性研究

对驾驶员理想转向盘力矩的影响因素进行分析,提出了一种用以描述稳态转向工况的驾驶员理想转向盘力矩模型。针对三款不同型号车辆进行驾驶员转向盘力矩道路试验, 建立了中国西南地区驾驶员理想转向盘力矩模型,研究结果表明: 一定车速下,驾驶员理想转向盘力矩是转向盘转角或者侧向加速度的增函数,但随着转向盘转角或者侧向加速度的增大,驾驶员理想转向盘力矩增大的程度减缓;一定转向盘转角或者侧向加速度下,驾驶员的理想转向盘力矩与速度近似成线性正比关系;如果车辆的体积、车重相近,道路条件相同,驾驶员理想转向盘力矩与车辆的型号无关。     

基于阿克曼定理的四轮独立转向模糊控制算法研究

基于阿克曼转向定理,研究电动汽车四轮独立转向系统。利用轮胎"魔术公式"建立二自由度非线性模型,并提出一种基于模糊策略的方法对其质心侧偏角进行控制。整车系统仿真的输入为左前轮车轮转角,其余3个车轮转角由模糊控制决定。质心侧偏角作为模糊控制器的输入,满足阿克曼定理的3个车轮转角作为其输出,由此实现四轮独立转向的控制。仿真研究结果表明所提出算法的有效性。     

汽车转向回正性能仿真分析

回正能力是汽车操纵稳定性的一个重要方面。建立了转向系统二自由度动力学模型与整车转向二自由度动力学模型,用MATALAB／Simulink对转向回正过程中的横摆角速度进行了动力学仿真计算。对影响回正性能的主要因素进行了详细分析。回正性能试验的实质是转向盘力阶跃输入下汽车的响应,它和转向盘角阶跃输入相似,可以用来研究汽车的操纵稳定性。汽车车速、转向系统扭转刚度和主销后倾角对回正性能的影响较大,而转向系统的粘性摩擦系数对回正性能的影响相对较小。     

四轮轮毂电机驱动智能电动汽车转向失效容错控制研究

四轮轮毂电机驱动电动汽车各轮驱动力矩独立可控,可通过控制前轴左右两轮的力矩差实现前轮转向。以四轮轮毂电机驱动智能电动汽车为研究对象,针对线控转向系统执行机构失效时的轨迹跟踪和横摆稳定性协同控制问题,提出一种基于差动转向与直接横摆力矩协同的容错控制方法。该方法采用分层控制架构,上层控制器首先基于时变线性模型预测控制方法求解期望前轮转角和附加横摆力矩,然后考虑转向执行机构建模不确定性以及路面干扰,设计基于滑模变结构控制的前轮转角跟踪控制策略。下层控制器以轮胎负荷率最小化为目标,利用有效集法实现四轮转矩优化分配。最后,分别在高速换道和双移线工况下仿真验证了该控制方法的有效性和实时性。