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高空作业车运动学仿真与控制

作　者: 朱苛娄
导　师: 齐朝晖
学　校: 大连理工大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 高空作业车运动学仿真轨迹规划多体系统运动学变幅机构
分类号: TU998.13
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 134次
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内容摘要

随着城市建筑向高层的发展,高空作业和消防任务日益突出,高空作业车作为城市消防部门的必要消防工具也逐步向超高度方向发展。由于其作业高度的增加,整车采用臂架结构变得复杂,致使臂架展开运动和工作平台运动复杂。整车运动学分析是动力学分析的基础,本文就高空作业车的正逆运动学问题进行了研究,为整车的力学分析奠定基础。整车臂架运动包括臂架变幅运动和臂架伸缩运动,这两种运动的控制是通过驱动油缸伸缩运动完成,因此臂架运动控制需要求解油缸运动与臂架运动之间的映射关系。由于油缸驱动机构的复杂性,这种映射关系呈现非线性。现有文献对臂架的结构设计做了大量的研究工作,但没有讨论这种映射关系,也没有对臂架运动和控制进行研究。本文结合工程实际做了以下五方面的工作,实现了整车运动仿真和控制。1.分析了高空作业车臂架系统中三种变幅机构运动学：前置式八字形双油缸变幅机构、折叠臂架变幅机构、三铰点变幅机构。得到了油缸伸缩运动和臂架变幅运动之间的映射关系,实现了臂架变幅运动的控制。2.对于典型的八字型双油缸变幅机构,结合工程实际,充分考虑了安装误差和双油缸伸缩运动不协调对臂架变幅的影响,并进一步分析如何控制这些误差以降低这种不利影响。3.对工作平台运动进行逆向求解,得到符合实际的臂架运动参数,实现臂架自动展开功能。4.为提高工作平台运动的平稳性,本文采用一种加速度函数为组合正弦函数的轨迹规划方法,此方法不但可以降低速度和加速度的峰值,而且还可以减少运行时间,使工作平台运动平稳,避免振动和过冲现象,提高了作业效率。5.结合本文计算推导,开发了混合臂式高空作业车运动学仿真分析软件。应用分析软件对整车臂架的展开过程进行了仿真,分析结果验证了本文所提方法的有效性。通过对整车机构运动学研究,实现了油缸伸缩控制臂架展开运动的自动化操作,弥补传统的人工视觉反馈的控制操作的不足,提高了高空作业车的作业效率和精度。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-18
  1.1 高空作业车简介  10-13
    1.1.1 高空作业车分类  10
    1.1.2 高空作业车特点  10-11
    1.1.3 高空作业车国内外发展状况  11-12
    1.1.4 高空作业车发展趋势  12-13
  1.2 高空作业车运动机构介绍  13-14
  1.3 高空作业车运动学分析和控制难点  14-16
    1.3.1 高空作业车运动学分析难点  15-16
    1.3.2 高空作业车运动学控制难点  16
  1.4 论文的主要工作  16-17
  1.5 本课题研究的意义  17
  1.6 论文的组织安排  17-18
2 高空作业车运动学建模  18-24
  2.1 高空作业车多体系统运动学分析  18-20
    2.1.1 高空作业车运动分析  18-19
    2.1.2 铰的类型和铰坐标系描述  19-20
  2.2 高空作业车连体基建立和参数化输入  20-23
    2.2.1 物体坐标系建立  20-22
    2.2.2 臂架、油缸连接铰点参数化输入  22-23
  2.3 本章小结  23-24
3 臂架变幅机构中臂架运动的控制  24-45
  3.1 八字形双油缸变幅系统臂架运动分析和控制  24-32
    3.1.1 变幅系统坐标系描述  25-26
    3.1.2 油缸伸长量与臂架变幅角度关系  26-29
    3.1.3 油缸伸长速度、加速度与臂架角速度、角加速度之间的关系  29-32
  3.2 主体折叠臂架系统中臂架运动分析与控制  32-40
    3.2.1 变幅系统坐标系描述  33-34
    3.2.2 臂架展开角度与油缸伸长量关系  34-36
    3.2.3 油缸伸长量与臂架变幅角度关系  36-37
    3.2.4 臂架角速度、角加速度与油缸伸长速度、加速度之间的关系  37-40
  3.3 三铰点变幅系统运动分析与控制  40-44
    3.3.1 飞臂变幅系统坐标系描述  40-41
    3.3.2 飞臂架转角与油缸伸长量关系  41-42
    3.3.3 油缸伸长量与飞臂架转角关系  42
    3.3.4 油缸伸长速度、加速度与臂架角速度、角加速度之间的关系  42-44
  3.4 本章小结  44-45
4 高空作业车整车运动学分析  45-61
  4.1 整车多体系统的坐标系描述和运动参量间的关系  46-48
  4.2 臂架铰点、连体基原点和工作平台空间位置  48-53
    4.2.1 连体基中的位置  48-49
    4.2.2 总体基中的位置  49-51
    4.2.3 运动量反解  51-53
  4.3 臂架铰点、连体基原点和工作平台速度  53-54
    4.3.1 臂架角速度  53
    4.3.2 绝对速度  53-54
  4.4 臂架铰点、连体基原点和工作平台加速度  54-56
    4.4.1 臂架角加速度  54-55
    4.4.2 绝对加速度  55-56
  4.5 臂架运动量的轨迹规划  56-60
    4.5.1 几种常见的加速度曲线函数缺点  56-57
    4.5.2 PTP轨迹规划  57-60
  4.6 本章小结  60-61
5 数值计算分析  61-74
  5.1 八字形双油缸变幅系统计算分析  61-64
  5.2 折叠臂架系统计算分析  64-66
  5.3 三铰点变幅系统计算分析  66-67
  5.4 整车运动学计算仿真分析  67-74
结论  74-75
展望  75-76
参考文献  76-79
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  79-80
致谢  80-81

高空作业车运动学仿真与控制

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