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动力模块车组的运载规划与虚拟驾驶

作　者: 陈伟
导　师: 郭为忠
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械工程
关键词: 动力模块车组多载货台调平运动多车并车同步转向运动允许装载区域建模带力反馈的数字转向盘系统
分类号: U492.336
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

大型动力平板运输车及其多车并车系统(以下统称动力模块车组)属于“机-电-液”一体化产品,是重载超大型设备与物件运输的核心装备,主要用于大型结构件的重载运输,广泛应用于机械制造、航空航天及工程机械等众多领域。其主要特点如下:①属于多轮轴行走机械,②整车采用液压独立悬挂,可以实现载货台自动升降及调平,③各悬挂轮组独立转向,④整车采用模块化组合,可以实现多车并车操作,⑤整车采用液压驱动、液压行走。目前国内产品与国外的相比,其差距主要停留在:①模块化组合后引起多载货台调平运动的协调性差以及多单元车转向时同步性差等问题;②对超大型货物的承载能力不足。此外,由于动力模块车组采用基于CAN总线微电控制的多轮独立转向系统(称之为数字转向系统),其转向盘与悬挂轮组间无机械连接,故驾驶者在操作转向盘过程中缺乏驾驶的真实力感,容易出现操作的随意性问题。本文首先对动力模块车组进行运动学分析,在研究单车载货台调平和各转向模式的运动学模型的基础上,研究多车并车操作时对应运动的运动学模型。动力模块车组对超大型货物承载能力主要由其承载安全性决定的,针对该问题研究规划了动力模块车组在非平坦路面上不同分组模式下的允许装载区域。最后针对动力模块车组在转向过程中驾驶者缺乏驾驶真实感的问题,研究开发了一套带力反馈的数字转向盘系统,此外,基于虚拟样机技术,对上述模型进行了仿真验证,并做了相应的分析。研究中的创新点,主要体现在以下几个方面:1)基于并联机器人机构学的动力模块车组运动学的建模方法创新性地将动力模块车组等效成并联机器人的机构学模型,用求解并联机器人运动学反解的方法求解动力模块车组单车载货台调平过程中的运动学问题,进而研究多车并车情况下多载货台调平运动的运动学模型。整个过程对所涉及的运动学问题均采用矩阵运算,这大大降低了计算的复杂程度,有利于计算机控制代码的实现,提升了程序的运算速度及实时性,从而提高单元车之间响应的同步性。2)动力模块车组在非平坦路面上的允许装载区域的建模方法动力模块车组的悬挂系统采用分组控制,利用力等效原理求解其在非平坦路面上各分组等效合力作用于载货台的等效支撑点及其矢量方向,进而建立动力模块车组在非平坦路面上的多点支撑的等效力学模型,对多点支撑产生的静不定问题采用弹性支撑的变形协调原则加以解决。利用多点支撑形成的支撑边界求解载货台的抗倾覆区域,利用各分组悬挂的承载极限求解其安全承载区,通过抗倾覆区与安全承载区的求交运算获得相应条件下动力模块车组的允许装载区域,最后,利用MATLAB建立了一套实时反映动力模块车在非平坦路面上运行时允许装载区变化的可视化界面,通过该界面驾驶者可以很直观的判断当前状态下运载的安全与否。3)动力模块车组带力反馈的数字转向盘系统本文研究开发了一套带力反馈的数字转向盘系统,解决了驾驶者在转向过程中缺乏驾驶真实感的现象,提高了驾驶者对路面的感知度。此外,为了验证此转向系统的有效性,还设计开发了一套基于OSG的虚拟驾驶的人机交互环境,通过外界转向盘控制虚拟环境中虚拟车辆的转向运动,与此同时,虚拟环境根据车辆的转向状态向伺服电机反馈转向力信息,通过伺服电机产生该转向力并加载到转向盘上,从而让驾驶者获得一定的操纵力感。

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