差速驱动（共5篇）
差速驱动 篇1
电动汽车 (EV) 是21世纪绿色交通工具, 在节能和环保方面有巨大优越性。在电动轮汽车驱动控制中电子差速和驱动防滑是关键技术。本研究将电子差速与驱动防滑集成控制, 通过实车对基于转矩的电子差速控制策略进行了转向行驶、路面不平及不同车轮半径等工况的道路试验, 以验证电子差速可行性和稳定性。并基于扭矩传感器进行汽车驱动轮最佳滑移率测定, 确定最佳滑移率控制目标, 并通过实车对控制策略进行验证。
1 电子差速与驱动防滑控制系统设计
1.1 系统整体设计
整个控制系统分信号采集处理和驱动控制系统两部分。通过前轮转角传感器测得前轮转角、电子油门踏板传感器测得加速度, 并传给中央处理器进行分析, 得到前轮转向打角和油门开度;并基于电子差速策略得到两个后轮的速度值, 转换成PWM信号输出, 实现对后轮轮毂电机的差速闭环控制。无线调试模块NRF24L01将试验车的数据通过无线传给PC进行数据分析和调试。
1.2 整车控制器设计
1.2.1 控制器硬件设计
控制器硬件主要包括电源模块、单片机最小系统、信号调理电路、PWM输出电路模块、数据通信接口电路模块和测速模块的设计。
1.2.2 控制器软件架构
利用Coidwarrior编程环境, 采用程序模块化的开发思路, 采用PIT定时控制, 脉冲定时器和CD4040芯片读取两轮毂电机速度值。AD模块读得转角传感器和电子油门踏板值的值, 变换成前轮转角和加速度, 经PID控制PWM输出, 进而控制轮速。
2 电子差速控制试
2.1 电子差速基本原理
参考阿克曼 (Ackerman) 转向原理。可以知道当车体以某一转角转向时, 两者存在差速, 即线速度V1/V2=常数, 可以根据转角自动决策左右轮的转速, 使其实时配合前轮转角, 实现正确的转向。
2.2 电子差速实验
基于实验样车, 在操场上分别进行了直道和弯道实车试验。每种情况至少采集3组, 以确保数据的准确性。
综合以上四图, 在直道和弯道行驶时没有出现超调现象, 总体上达到控制要求。
3 驱动防滑控制试验研究
3.1 驱动轮滑移率测试原理
本文电子差速控制的基础上进行驱动防滑控制研究, 根据速度传感器, 以前轮传感器数值做为车速, 后轮传感器数值作为驱动轮速度, 根据滑移率计算公式δ= (Vt-Va) /Vt×100%, 进行滑移率的实时检测。
3.2 驱动轮滑移率实验
测得模拟冰面和模拟雪面滑动时u-S曲线, 然后把滑移率检测值与经验最优滑移率比较。进行PID闭环控制, 将滑移率始终控制在15%~20%之间, 从而提高牵引力和保持行驶稳定性。
4 电子差速与驱动防滑集成控制系统
基于自制实验样车, 用阿克曼模型的改进模型, 以驱动轮转矩为控制量, 以内侧驱动轮的滑移率为基准和外侧驱动轮滑移率与其均衡为目标进行电子差速控制策略, 并进行CARSIM离线仿真验证。基于轮胎与路面的附着特性参数动态变化特性进行路面和最佳滑移率的实时识别研究。依据电动轮驱动汽车的电子差速和驱动防滑控制的共性特点, 将两者集成控制。实验结果表明, 该控制系统设计正确, 能满足要求, 能基于试验样车实现分布式驱动电动汽车的电子差速与驱动防滑集成控制功能。
5 结语
电子差速与驱动防滑集成控制, 简化了整车结构, 提高了传动效率。XS128系列芯片具有16位微控制器的处理能力, CPU工作频率最高可达40MHz, 是一款广泛应用于汽车行业的可编程系统芯片。因此开发出一套完善的电动汽车电子差速与驱动防滑控制系统具有较强的新颖性和前沿性。
本课题的研究虽然取得了一定的结果, 对今后开发后轮驱动电动汽车电子差速和驱动防滑控制提供了一定的参考, 但由于本人专业水平有限、时间仓促及试验条件受限, 研究中难免存在一些不完善之处, 望批评指正。
摘要：本文主要研究整车电子差速控制与驱动防滑控制集成控制策略。研究开发了一款基于Freescale XS128单片机的轮毂电机整车驱动控制器, 根据电动汽车的特殊要求和运行环境, 采用模糊自整定PID控制策略。给出驱动控制器总体设计方案, 运用MatlabSimulink和Carsim进行联合仿真, 结果表明, 该控制系统设计正确, 能满足要求, 进而基于试验样车实现分布式驱动电动汽车的电子差速与驱动防滑集成控制功能。
关键词：电动汽车,后轮驱动,电子差速,驱动防滑
参考文献
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[2]李刚, 宗长富, 张强等.基于模糊路面识别的4WID电动车驱动防滑控制[J].华南理工大学学报 (自然科学版) , 2012.
[3]杜志强, 陈慧等.四轮独立驱动电动汽车驱动防滑实车试验[J]湖北汽车工业学院报, 2008.
[4]李志远, 侯顺艳等.基于扭矩传感器的汽车驱动轮最佳滑移率测定.河北大学学报 (自然科学版) , 2014.
差速驱动 篇2
和要求
1、了解驱动桥的结构特点和各零部件的名称。
2、了解差速器作用和工作特点。
3、掌握差速器的`工作原理。
二、实验器材
1、工具
常用工具1套，铜棒，拉具，撬棒。 第一步：用对角线交叉法分次旋下半轴螺栓，抽出半轴。第二步：用对角线交叉法分次旋下主减速器壳和后桥壳螺丝。卸下主减速器总成。第三步：拆下主动双曲线齿轮连接凸缘及油封座、锥齿轮轴承座，拆下主动双曲线齿轮。第四步：拆下主动双曲线齿轮连接凸缘及油封座、锥齿轮轴承座，拆下主动双曲线齿轮
第五步：拆下从动双曲线齿轮轴承盖，卸下从动双曲线齿轮总成，旋下差速器壳螺丝分解差速器。
3、装配
第一步：清洗所有零部件。
第二步：组装差速器，装上从动双曲线齿轮，装上从动齿轮轴承盖并调整从动齿轮轴承预紧力。第三步：将主动双曲线齿轮和油封座安装在锥齿轮轴承座上并通过垫片调节主动齿轮轴承预紧力。第四步：安装主动双曲线齿轮，通过调整主动锥齿轮轴承座与主减速器壳体之间垫片和旋动从动锥齿轮两侧螺母进行调整主、从动锥齿轮的啮合间隙和啮合印痕。
第五步：安装主动双曲线齿轮连接凸缘，将主减速器总成同桥壳安装在一起，插上半轴
四、注意事项
1、将后桥固定在拆装架上操作，注意操作安全。
2、严格按照操作程序拆装。
3、注意主减速器、差速器的调整垫片位置和片数。
差速驱动 篇3
随着电动汽车的发展,轮毂电机驱动的电动汽车已成为汽车行业日益发展和研究的热点,其具有简单的机械传动结构,可以减轻整车自重,减小传动比和附加损耗,提高电机驱动效率,降低成本。但轮毂电机驱动存在一个致命的问题,当车辆转弯行驶时不可采用机械差速来解决内外轮因所走路程不同而造成的外轮打滑、内轮原地不动、轮胎严重磨损问题。采用电子差速控制不仅可以解决上述问题,并且由于电子差速器利用了现代电子控制方法,省去了复杂的机械传动结构,所以电子差速控制已成为电动汽车行业的重要研究项目。
1 电子差速模型分析
目前电子差速控制主要有两种,一种是基于转矩的控制,一种是基于转速的控制。
1.1 基于转速控制的电子差速器
基于转速控制的电子差速就是直接控制两侧驱动轮的转速,达到差速控制的目的。其主要控制方法为:通过分析方向盘转角与各驱动车轮转速的关系,结合两侧车轮反馈速度信号及加速踏板的位置信号,通过分析运算,把最终的速度控制信号通过电机控制器传递给相应的驱动电机,实现两侧电机差速的控制。
此种差速控制多采用神经网络控制算法和模糊控制算法,故其控制算法比较复杂,并且理论上只能分析静态和非时变参数。而电动汽车在实际的转弯过程中两驱动轮所受的负载是随时间变化的,很难建立准确的数学模型,所以基于转速控制的电子差速器有一定的局限性。
1.2 基于转矩控制的电子差速器
基于转矩控制的电子差速器主要是进行滑移率的控制。其控制原理是:通过加速踏板信号与方向盘角度信号控制驱动电动机转矩的输入量,并且参考路面状况及估算的偏转率,计算出两侧驱动车轮在转向时的目标滑移率,然后再利用鲁棒性好的开关控制两侧驱动车轮的转矩分配量。
与基于转速控制的电子差速器相比,这种差速器充分考虑了地面状况与轮胎的影响,有一定的应用价值。但滑移率的控制复杂,控制难度大,成本高,所以很难付诸于实践。
结合文献[1]对机械差速器的力学分析,本文利用机械差速器“差速不差力”的原理,设计出基于转矩控制的“自适应”电子差速器。
2 电子差速控制系统
电子差速控制系统主要由外部输入信号、控制电路、功率驱动电路、轮毂电机、CAN通讯等部分组成。其中,外部控制信号主要包括正反转信号、加速踏板信号、制动踏板信号。控制系统的核心是两个同一型号的电机控制器。
当电动汽车在理想的路面上直线行驶时,左、右两侧驱动车轮走过相同的路程,并且受到相等的阻力矩。为保证左、右两侧驱动电机有相同的转速,应使左、右两侧驱动电机有相同的输出转矩。此时,两侧电机控制器同时接受相等的外部输入信号,经过分析运算,通过功率驱动电路,控制其相应轮毂电机的转速。直线行驶时电子差速控制系统框图如图1所示。
当电动汽车转弯时,由于两侧驱动轮行驶不同的路程,使左、右两侧驱动车轮受到不同的阻力。此时根据机械差速器的“自适应”原理,给定左、右两侧驱动电机相同的电磁转矩,使左、右两侧驱动车轮在各自阻力矩的作用下,实现“差速不差力”的“自适应”电子差速。此时,使左侧电机控制器接受外部输入信号,在左侧控制器内部经过分析运算,然后通过功率驱动电路,控制其左侧轮毂电机的转速。而右侧电机控制器的电流通过CAN总线由左侧控制器给定,保证左、右两侧有相同的驱动转矩,进而控制其右侧轮毂电机的转速,实现右侧轮毂电机转速“自适应”左侧轮毂电机转速的目的。转弯行驶时电子差速控制系统框图如图2所示。
3 电子差速系统MATLAB仿真
利用MATLAB/Simulink软件进行系统仿真,就是用图形化的方法直接建立系统的仿真模型,并通过Simulink环境下的示波器Scope模块将结果显示出来,操作简单而且便于观察。本文使用MATLAB/Simulink模块仿真电子差速控制系统。
3.1 电动汽车直线行驶时
给定两驱动电机转速为2 000 r/min,两侧驱动电机在不加负载的情况下,相当于电动汽车直线行驶。左、右两侧驱动电机的速度及电磁转矩仿真结果如图3~图6所示。
由以上仿真结果可知:当左、右两侧驱动电机给定相同转速时,此电子差速系统能够保证左、右两侧驱动电机在相同的电磁转矩作用下有相同的转速,可以顺利、平稳地实现电动汽车的直线行驶。
3.2 电动汽车转弯时
左、右两侧驱动电机给定转速2 000 r/min,在0.1 s时,左侧驱动电机突加负载转矩7 Nm,右侧驱动电机突加负载转矩4 Nm。此时左侧驱动电机负载转矩大于右侧驱动电机负载转矩,相当于实际工况下电动汽车的左转弯。此时,左、右两侧驱动电机的速度和电磁转矩曲线如图7~图10所示。
由图7和图8可知:当电动汽车左转弯时,左侧驱动电机转速下降,右侧驱动电机转速不变,实现“自适应”差速。图9和图10表明:当左、右两侧驱动电机承受不同的负载转矩时,左、右两侧驱动电机的输出转矩(即电磁转矩)基本相同,验证了“差速不差力”控制方案的可行性。
4 结论
本文利用机械差速器的原理,提出了一种基于转矩控制的“自适应”电子差速控制策略。解决了用轮毂电机驱动转向时不能采用传统机械差速的问题;同时采用电子差速器避免了机械差速器的传动结构,大大简化了电动汽车的底盘空间。相比于其他的电子差速,不用考虑路面及转向角度的问题,简化了控制计算方法,提高了控制系统的稳定性,使车辆具有更佳的转弯性能。同时本文通过MATLAB仿真验证了此电子差速控制策略的可行性。
摘要：针对轮毂电机驱动的电动汽车的转向问题,利用机械差速器的原理,提出了一种“差速不差力”的“自适应”电子差速器。通过对两侧驱动电机电磁转矩的控制,进而达到对驱动电机差速的控制。设计了电子差速的控制过程,并进行了MATLAB仿真,证明了此设计的可行性。
关键词：轮毂电机,电动汽车,自适应,电子差速
参考文献
[1]马骏.对称式锥齿轮差速器差速原理的动力分析[J].西安科技大学学报,1998,18(3):248-251.
[2]周元芳.永磁无刷直流电动机的电枢反应[J].广西电力技术,1995(1):30-34.
[3]夏长亮.无刷直流电机控制系统[M].北京:科学出版社,2009.
[4]李乐.四轮独立驱动电动车控制系统的设计[D].武汉:武汉理工大学,2010:7-8.
差速驱动 篇4
关键词：车辆工程,电动轮汽车,差速转向,路感控制
0引言
电动轮汽车采用轮毂电机独立驱动技术, 通过控制左右车轮差速转矩, 可实现新型差速转向。 在电动轮汽车基础上, 发展一种新型差速转向系统, 使其同时融合主动转向和助力转向功能, 不仅能实现汽车轻便转向和驾驶员满意路感的完美融合, 还能使汽车的安全性与灵活性协调统一, 是一种理想的动力转向技术, 具有广阔的应用前景[1-3]。
目前, 国内外有关电动轮汽车的研究主要集中在动力学建模与驱动转矩控制方面。文献[4]建立了电动轮汽车整车模型、驾驶员模型和道路模型, 对低附着路面和极限概况下的电动轮汽车进行了动力学仿真, 并将其与纯电动汽车进行了对比分析。结果表明, 电动轮汽车具有更好的操纵稳定性。道路试验也验证了电动轮汽车在极限工况和低附着路面下的稳定性和可靠性。文献[5]根据电动轮汽车驱动/制动力矩独立可控的特点, 采用层次化结构的控制分配方法, 对电动轮汽车驱动/制动扭矩进行了优化控制来提高车辆的操纵稳定性。
对电动轮汽车的研究目前主要集中在电动轮驱动技术上, 对差速助力转向技术的研究还较少, 有限的几篇文献主要探讨差速转向原理[6-7]。文献[8]对电动轮汽车差速技术进行了实验研究, 验证了电动轮汽车差速系统在各工况下的实际性能, 但未针对转向路感等转向性能指标进行优化设计或提出具体控制策略。文献[9]设计了一种自适应模拟退火算法来对差速转向系统的转向路感进行系统参数优化, 但并未对转向路感进行实时控制。文献[10]建立了差速转向动力学模型, 提出了差速转向驱动转矩控制 (包括驱动转矩分配控制和横摆角速度反馈控制) 策略, 其仿真结果表明, 该控制策略能让汽车在不同工况下实现差速转向。文献所涉及的差速转向系统虽具有差速功能, 但未涉及动力转向系统的功能, 如电动助力转向和主动转向功能。新型差速转向不仅在结构上能实现差速转向功能, 还可以通过控制系统的力与位移传递特性, 使系统同时融合助力转向和主动转向功能, 实现驾驶员路感和汽车操纵稳定性的协调统一, 拓展传统动力转向系统的功能。
本文建立了新型差速转向及整车系统的动力学模型, 以鲁棒控制理论为基础, 设计了新型差速转向H∞-PID鲁棒控制器, 研究了新型差速转向路感控制机理。
1新型差速转向动力学建模
1.1整车三自由度模型
根据汽车转向特性, 汽车三自由度方程为[11]
式中, g为重力加速度;u为车速;ωr为横摆角速度;m为整车质量;ms为簧载质量;δ 为前轮转向角;α1为前轮侧偏角;α2为后轮侧偏角;φ为车身侧倾角;β为质心侧偏角;l为两前轮之间的距离;a为汽车质心至前轴的距离;b为汽车质心至后轴的距离;h为侧倾力臂;Ix为悬挂质量对X轴的转动惯量;Iz为汽车质量对Z轴的转动惯量;Ixz为悬挂质量对X、Z轴的惯性积;E1为前侧倾转向系数;E2为后侧倾转向系数;Cφ1为前悬架侧倾角刚度;Cφ2为后悬架侧倾角刚度;D1为前悬架侧倾角阻尼;D2为后悬架侧倾角阻尼;k1为前轮侧偏刚度;k2为后轮侧偏刚度;F1、F2为左右车轮的驱动力。
1.2轮毂电机模型
将三相永磁无刷直流轮毂电机作为电动轮驱动电机, 则电机电磁转矩可表示为
式中, Ka为电机转矩系数;iA为电机电流。
左右轮毂电机电磁转矩可分别表示为
式中, T1、T2分别为左右转向轮的驱动转矩。
1.3输出轴子模型
对转向柱输出轴及电机输出轴进行动力学分析, 得到:
式中, Je、Be分别为输出轴的转动惯量和阻尼系数;Tsen为扭杆的反作用转矩分别为输出轴转角、角速度和角加速度;ΔTm为电动轮前轮驱动力差形成的转向转矩;n1为转向螺杆到前轮的传动比;Tr为作用在输出轴上的反作用转矩。
对左右转向轮进行动力学分析, 可得
式中, rw为车轮滚动半径;Im为考虑轮毂电机转动惯量的电动轮等效质量;ω1、ω2分别为左右转向轮的转动角速度。
车轮在牵引力控制的作用下, 滑转率较小, 车轮转动角加速度也可以忽略, 则 ΔTm可进一步表示为
式中, d为轮胎拖距。
1.4输入轴子模型
对转向盘和转向输入轴进行动力学分析, 得到:
式中, Jh为转向盘、转向输入轴的动惯量;Bh为输入轴的黏性阻尼系数分别为输入轴的角速度和角加速度;Th为作用在转向盘上的转向转矩。
转矩传感器依靠扭杆的相对转动产生扭转变形, 扭杆受到的转矩与扭杆的扭转角度成正比:
式中, Ks为与输入轴相连的扭杆的刚性系数;θh为输入轴的转角;θε为输出轴的旋转角。
1.5齿轮齿条子模型
对齿条和小齿轮进行动力学分析, 可得
式中, mr为齿轮齿条的等效质量分别为齿条的阻尼系数、速度和加速度;rp为小齿轮半径;FTR为轮胎转向阻力及回正力矩等作用于齿条上的轴向力。
1.6轮胎模型
假设轮胎的特性是线性的, 并忽略转向引起的侧偏刚度变化, 可得动力学方程:
式中, Js1、Js2分别为左右转向轮绕其主销转动惯量;Bs1、 Bs2分别为左右转向轮的黏性阻尼系数;δ1、δ2分别为左右转向轮的转向角;A为左右转向轮绕主销的回正阻尼系数;C为左右转向轮绕主销干摩擦因数。
2路感控制策略
2.1转向路感
本文采用固定方向盘的方法来分析转向路感:一方面, 它能把路面干扰信息完全传递给驾驶员;另一方面, 固定方向盘后, 转向盘和转向输入轴连为一体, 减少了一个自由度, 便于分析。
从输出轴转角到输出轴所受阻力矩的传递函数:
式中, Km为左右轮毂电机转矩差增益。
由转向盘固定, 可得
Th=-Ksθe (12)
联立式 (11) 、式 (12) , 得到从输出轴所受阻力矩到转向盘输入转矩Th的传递函数 (定义为转向路感) :
2.2 LMI线性矩阵不等式
从理论上讲, H∞控制理论可以在保证控制系统稳定的前提下, 抑制外界干扰对被控对象的影响。该控制方法在转子系统的主动控制中得到了广泛的应用, 可以很好地满足系统的跟踪性能和鲁棒稳定性的要求。
在复平面的区域D, 如果存在一个对称的实矩阵L∈ Rm×n和一个实数矩阵M∈ Rm×n使得D = {z∈C:L+zM +zMT<0} (文中任意矩阵R <0表示R为负定矩阵, R>0表示R为正定矩阵) , 则称D是一个线性矩阵不等式区域 (LMI区域) [12]。LMI区域D的特征函数:
fD (z) =L+zM +zMT (14)
对于扇形区域 (顶点在原点, 扇角为2θ) , 矩阵值函数fD (z) 满足:
因而, 实数矩阵A在扇形区域稳定的充分必要条件是存在一个正定矩阵Xi (i=1, 2, 3) , 使得下列LMI成立[13]:
系统的暂态响应与其极点分布有很大的关系, 系统能够稳定的充分必要条件是它的极点分布在复平面的左半平面。当极点分布在一些特定的区域时, 能够刻画系统一定的指标S (α, γ, θ) , 如图1所示。
位于这个区域的点z=x+j y, x<-α<0, |x+j y|
2.3 H∞性能指标
考虑线性时不变的连续时间系统[14]:
式中, x (t) 表示系统的状态, x (t) ∈ Rn;w (t) 表示外部扰动输入, w (t) ∈ Rq;z (t) 为系统期望输出, z (t) ∈ Rr。
由式 (17) 可得系统从 ω 到z的传递函数T (s) =C (sI-A) -1B+D, T (s) 的H∞范数定义为其频率响应的最大奇异值的峰值, 即
对于上述系统, 设γ>0是一个给定的常数, 则以下条件是等价的:1系统渐进稳定且 ‖T (s) ‖ < γ;2存在一个对称矩阵P >0, 使得
2.4基于LMI的H∞鲁棒PID路感控制
以路感函数为控制对象, 对路感设计基于LMI的H∞鲁棒PID控制器, 其结构如图2所示。 其中, r为输入;e为偏差量;u为控制输入;w为零均值高斯白噪声, 其强度W>0, 初始状态x (0) 与w不相关;y为输出;C (s) 为PID控制器;E (s) 为转向路感的传递函数, 本转向系统的路感函数是可观的, 其形式为
PID控制器参数K = [KPKIKD]对于系统满足:1系统的闭环极点落在图1所示的扇形区域内, 并且存在正定矩阵Xi (i=1, 2, 3) , 使得系统稳定性条件 (式 (16) ) 成立;2从扰动w到被控输出的传递函数矩阵满足 ‖H (s) ‖∞<γ。
如果存在正定矩阵Q使以下线性矩阵不等式组有解
则PID控制器的参数为
3仿真分析
转向路感是转向系统的一个重要的评价指标, 满意的转向路感可以令驾驶员准确接收来自于路面的信息, 从而作出准确的判断, 避免事故的发生。为了能有效地分析转向系统的动态特性, 采用固定转向盘的方法, 研究转向盘固定时作用在扭杆上的转向盘把持转矩, 该把持转矩实质上是转向轮来自地面的干扰。
对于本路感系统, 要求其极点处于LMI区域左半平面内, 取α=0, θ=45°。取H∞范数γ = 0.1, 取扇形区域D的半径r=3000。代入式 (20) , 得到PID控制器的参数KP= 133.5752, KI=0.0001, KD=0.0058。则路感控制后效果如图3所示。
对比不同控制下的转向盘把持转矩幅频特性和相频特性可知:控制后, 新型差速转向系统的静态误差进一步减小, 响应进一步变快, 频带进一步变宽, 相频带较优化前变宽, 系统响应速度加快, 零频幅比增大, 系统精度进一步增大。由图3还可以看出, 低频情况下, 转向盘把持转矩的幅值几乎维持不变, 且H∞-PID控制时的频带更宽、幅值更大, 可保证驾驶员获得更好的低频有效信息; 高频情况下, H∞-PID控制对高频的路面噪声和干扰抑制较快, 有利于驾驶员获得较为满意的路面感觉。
由此可知, 基于LMI的H∞-PID路感控制器可使新型差速转向获得:1更小的静态误差; 2更好的低频有效信息;3更好地抑制路面噪声和干扰, 从而有效优化系统的转向路感。
4结语
差速驱动 篇5
关键词：双差速驱动,嵌入式系统,图像采集,路径规划,闭环控制,采摘机器人
0 引言
在果蔬采摘机器人的驱动系统设计过程中,机器人的转弯性能和寻迹能力是设计的核心问题,采用双差速驱动来控制采摘机器人的移动是一种典型的非完整系统,该控制系统具有强耦合性和非线性等特点,其控制问题受到了国内外专家和学者的广泛关注。四轮驱动采摘机器人和两轮驱动相比,控制模型更加复杂,耦合也更加严重。四轮驱动主要采用双差速驱动系统实现机器人的全向运动,其运动灵活,不受非完整约束; 但其摩擦因数小、承载能力有限,因此其设计较为困难。本研究针对双差速驱动系统的非线性和冗余运动约束问题,首先建立了速度协同运动的非线性运动模型,并进行了线性优化,提出了一种基于嵌入式监控图像采集反馈信息的控制系统,对采摘机器人移动性能的改进具有重要的意义。
1 驱动系统总体设计
采摘机器人的双差速驱动部分主要由4 个三相步进电机和驱动结构组成,步进电机驱动前后轮,推动机器人前进和后退,驱动左右轮的速比,实现机器人的转弯。为了提高采摘机器人转弯的灵活性,将传统的双轮结构改为平面轴承,从而降低了采摘机器人结构的复杂度,驱动电机通过齿轮和轴带动轮旋转,其结构如图1 所示。
步进电机的转速可利用脉冲信号的频来改变,实现较高精度的调速。利用对电机施加不同的脉冲信号,可以实现采集机器人的前进、后退、左转、右转和调头功能。双差速驱动系统可实现机器人在任意半径下的转弯,也可以实现原地旋转,转弯的速度可利用单片机程序进行控制,方便简单。采摘机器人服务器系统结构如图2 所示。
采摘机器人的Internet服务器主要由服务程序、服务数据库和通讯模块组成; 机器人控制服务器主要由主控模块、图像采集模块和通信模块组成,其核心是一台Windows XP系统的计算机。计算机装有通信控制卡、图像采集卡等硬件,利用这两层服务器可以非常好地分离网络信息处理模块和机器人硬件控制模块,提高了控制系统的灵活性和可靠性。
图3 为采摘机器人的控制系统框架结构图。控制系统采用C /S和B /S混合模式,提高了系统的灵活性,图像监控采集系统和远程网络系统利用嵌入式控制板来实现,集成在采摘机器人中,降低了系统的规模和系统成本。通过无线传感网络提高了机器人对环境的感知能力,利用标准化接口提高了系统的扩展能力,可以利用扩展卡和USB接口来实现外部设备的扩展,各功能单元可以独立运行,也可以并行工作。
2 双差速驱动系统设计
嵌入式监控系统控制的双差速采摘机器人主要利用采集图像信息对转速进行控制,当左右两轮的转速不同时,可以实现转弯功能; 当两轮转速相同时,实现直线行驶功能。假设驱动模块两轮的速度差为 Δvf和Δvr,则4 个驱动轮的速度模型可以表示为
前后驱动的角速度可以写成
假设前后驱动模块的质心速度vf和vr在x轴和y轴上的投影分别为vfx、vrx、vfy、vry,其表达式为
则采摘机器人的姿态偏差导数可以表示为
综合式( 3) 、式( 4) 可得
因为前后驱动模块在y轴方向的速度相同,于是可以得到
将式( 3) 带入式( 6) 可得
在采摘机器人时间控制过程中,控制方式采用离散方法进行控制,每个控制周期都需要采用速度约束对速度进行控制,假设距离偏差的导数为四轮驱动采集机,前、后驱动模块与机器人的夹角的导数为,机器人的控制模型可写成
利用嵌入式监控系统的反馈信息可以对采摘机器人驱动模块进行控制,系统的硬件系统主要由5 个组成部分,包括USB无线卡模块、USB摄像头模块、内部控制和传感器模块、运动控制模块和主控模块,其框架结构如图4 所示。
嵌入式监控系统的控制核心为S3C2410 微处理器,操作系统采用Linux系统,主控板上连接USB无线网卡,利用无线路由将机器人键入Internet; 图像采集由USB摄像头来完成,获取采摘环境信息,机器人内部和运动信息由传感器采集提供给机器人,其得到环境和自身内部反馈信息后,利用主控模块控制机器人的移动,其中运动模块的设计框架如图5 所示。
控制板的布线方式为双层布线,电机调速的接口为8 个,传感器接口为6 个,数字接口通道为2 个,可以对监控系统采集图像进行传输; 运动和内部传感模块利用数据串口与主控板连接,利用自定义的命令接口进行通讯服务,最终将硬件系统进行底层封装,完成采摘机器人控制系统的设计。
3 双差速驱动果蔬采摘机器人性能测试
为了验证本次研究设计的双差速果蔬采摘机器人的性能,对其沿轨迹行驶的性能进行了测试,测试项目主要包括直线行驶和转弯行驶性能。测试过程的场景如图6 所示。
测试对象为草莓采摘,给定机器人预设轨迹路线,利用嵌入式监控系统对路线进行轨迹跟踪,通过测试得了双差速采摘机器人的轨迹跟踪结果如图7 所示。
图7 中,实线部分表示果蔬采摘机器人的实际移动路径,虚线表示机器人双轮的运动轨迹。由图7 可看出: 利用嵌入式监控系统对双差速机器人进行控制后,机器人双轮可以严格地按照跟踪轨迹行走,其轨迹和预定跟踪轨迹平行,在转弯处行走精度也很高,从而验证了本次研究设计的采摘机器人的可靠性。
表1 为传统机器人和嵌入式监控系统机器人路径跟踪耗时的测试结果对比表。由表1 可以看出: 利用嵌入式监控系统可以大大提高双差速机器人路径跟踪的速度,缩短了路径跟踪的耗时,从而提高了果蔬菜采摘的效率。
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4 结论
1) 利用嵌入式监控系统集成化模式,采用双差速驱动控制系统设计了一种具有自主寻迹能力的移动式采摘机器人,并建立了控制姿态偏差和距离偏差的协同运动模型,从而大大提高了采摘机器人移动和转弯的灵活性。