汽车多足仿生行走机构和控制系统的研究

论文摘要

仿生行走方式是以仿生学为基础发展起来的一种新型行进方式,它虽没有轮式、履带式的速度优势,但在沟壕、凸起障碍物、湿路面和沙地等特殊路面上却具有轮式和履带式行进方式无法具有的越障能力高、对路面适应性强、通过能力高的优势。主要应用于机器人方面,且应用技术较为成熟,在汽车方面应用很少。汽车仿生行走机构让汽车不仅具有了轮式行进方式的速度优势同时具有了仿生行走方式对路面适应性强、通过性高。对国内外在器人腿机构方面已有的研究成果进行分析可得,腿机构的复杂程度与其自身的自由度数有关,且腿的自由度越多,需要的驱动器就越多,控制也会更加复杂。为此,选用了一个国外已经仿真且具有一个自由度的四杆机构——Hoecken机构。对该机构进行运动轨迹分析得知：该机构具有理想的运动轨迹——倒“D”形运动轨迹,机构的曲柄在“D”形的直线部分和曲线部分的运动角度是一样的,且在“D”形的直线部分的运动速度基本上恒定,这些都是一个理想的腿机构应该具有的,这个机构只需要一个驱动器且运动轨迹和速度均很理想。同时对采用三角步态方式的稳定性进行了分析。设计了腿自适应机构,并对腿自适应模块进行了数学建模,分析其运动工况并根据工况研究了相应的控制方案。针对设计方案,进行了模型车设计以验证方案的可行性。论文设计了模型车的整体控制的硬件电路,并根据需要实现的功能设计了主程序控制流程图。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.3 论文的研究内容、关键技术、基本思路和研究方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 关键技术
• 1.3.3 基本思路
• 1.3.4 研究方法
• 1.4 实际应用价值
• 第二章 步行汽车的整体构成和行走步态分析
• 2.1 步行汽车的整体构成
• 2.1.1 行走机构和自适应机构
• 2.1.2 车架和传动机构
• 2.1.3 动力切换机构和转向机构
• 2.2 汽车行走机构的步态分析
• 2.2.1 三角步态分析
• 2.2.2 步态设计
• 2.3 本章小结
• 第三章 腿机构的设计
• 3.1 腿机构分析
• 3.1.1 Hoecken四杆机构
• 3.1.2 Hoecken四杆机构连杆端部运动规律分析
• 3.1.3 Hoecken四杆机构的应用
• 3.2 腿机构力学分析
• 3.2.1 A点铰链固定
• 3.2.2 A点铰链自由转动
• 3.3 驱动车轮和步行机构运动的驱动电机的选择
• 3.3.1 步行方式的驱动力计算
• 3.3.2 轮式驱动力计算
• 3.3.3 驱动电机选择
• 3.4 稳定性分析研究
• 3.4.1 汽车静止站立和行走过程中的稳定性
• 3.4.2 步行汽车稳定区域计算
• 3.5 本章小结
• 第四章 腿自适应系统模型和控制方案分析研究
• 4.1 腿自适应性系统模型
• 4.1.1 车身姿态模型
• 4.1.2 执行机构模型
• 4.2 越障能力分析
• 4.2.1 腿机构自身越障能力分析
• 4.2.2 带有自适应机构的腿机构越障能力分析
• 4.3 障碍物探测分析
• 4.3.1 凸起障碍物探测分析
• 4.3.2 湿、轻度软路面和壕坑探测分析
• 4.4 控制方案分析与研究
• 4.4.1 工况分析
• 4.4.2 控制方案研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 控制系统开发
• 5.1 控制系统功能介绍
• 5.2 腿的凹凸不平路面自适应分析和控制模块设计
• 5.2.1 腿的凹凸不平路面自适应分析
• 5.2.2 腿的凹凸不平路面自适应装置设计
• 5.3 动力切换装置设计
• 5.4 MC9S12xs128主控制器
• 5.4.1 主控芯片
• 5.4.2 MC9S12XS128最小系统电路
• 5.4.3 控制信号输出电路
• 5.4.4 信号输入
• 5.5 传感器设计
• 5.5.1 光电脉冲传感器
• 5.5.2 测距传感器
• 5.5.3 角度传感器
• 5.6 控制软件设计
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学习期间发表的论著和取得的科研成果