城市地下綜合管廊巡檢小車全轉向系統研究

晏海靜，羅大兵，漆令飛

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

1 引言

城市地下綜合管廊是集電力、通信、廣播電視、給水、排水、熱力、燃氣等市政管線及其附屬設施于一體的公共隧道空間，是保障城市運行的重要基礎設施和“生命線”。目前，已有25 個城市成為綜合管廊建設試點城市，正加速推進地下綜合管廊建設。僅2016 年，我國開工建設的綜合管廊規模里程已經突破2000km，成為世界上綜合管廊建設規模最大的國家[1]。隨著城市地下綜合管廊建設的快速發展，其管理運營維護問題日益凸顯。管廊內空間狹小、缺氧，甚至可能釋放有毒氣體，采用人工巡檢不僅監測效率極低，且嚴重影響檢測員的生命安全。為了實現對管廊的動態巡檢與在線監測，開展自動巡檢小車研究具有重要意義[1]。為了使巡檢小車能實現在狹小的管廊內靠近被檢目標、調頭、靈活轉向等功能，巡檢小車最好具有全轉向功能，即能夠橫向移動和原地零半徑轉彎。目前，全轉向的實現方法主要有全向輪、日產METAMO 系統、四輪獨立液壓控制[2]、四輪獨立電機控制[3]等方式。這些方式中，全向輪結構最為簡單，但由于多邊形效應，全向輪行駛時會給車輛增加附件振動。METAMO 系統、四輪獨立液壓控制和四輪獨立電機控制等方式的控制系統相對復雜，特別是在地下管廊的潮濕環境下，可靠性降低?；谏鲜鲈蛟O計了一種新穎的基于輪轂電機的巡檢小車全轉向系統[4]。采用該轉向系統的巡檢小車既滿足正常行駛運動與轉向，還可以根據巡檢需要，在狹小的管廊中靈活轉向，實現無盲區探測，提高了管廊檢測的可靠性。

2 轉向機構總體設計

根據地下綜合管廊的環境特點以及巡檢作業的要求，通過分析國內外現有的全轉向巡檢小車的優缺點然后優化組合設計，最終提出了一種控制系統簡單的新型全轉向巡檢小車。此全轉向巡檢小車基于輪轂電機設計，可減小尺寸并簡化結構，采用一個轉向電機，減少復雜的電機驅動控制需求。根據地下綜合管廊的布管特點與截面尺寸，對巡檢小車提出的主要參數，如表1 所示。

管廊巡檢小車全轉向系統主要由四輪轉向機構、全轉向機構、轉向切換裝置以及相關控制系統四部分組成，具備四輪轉向與全方位轉向（包括橫向行駛）的功能，兩種轉向模式通過轉向切換裝置達到相互獨立互不干涉的效果。根據不同的路況切換不同的轉向模式：轉彎空間大時采用四輪轉向模式；轉彎空間狹小時采用全轉向模式，可使巡檢小車實現在原地零半徑轉向；當需要靠近某個區域進行詳細檢查時，可以調整巡檢小車轉向系統實現橫向移動行駛。

表1 管廊巡檢小車主要結構參數Tab.1 Main Structure Parameters of the Patrol Vehicle

2.1 轉向傳動機構設計

巡檢小車整體機構，兩套轉向機構只用一個轉向電機，共用一套曲柄搖桿驅動機構：轉向電機5 驅動曲柄一6，連桿一7 受到來自曲柄一6 的推力帶動轉向拉桿9 轉動，通過轉向節臂4 使車輪2 轉動，如圖1 所示。采用常用的下梯形轉向機構[5]，轉向節臂底角為75°，可使轉彎內側車輪轉角總是大于外側車輪轉角，盡可能地減少車輪打滑。轉向模式切換由前后轉向機構的轉向鎖一10 和轉向鎖二14 實現。

圖1 全方位轉向機構整體結構圖Fig.1 Omni-Directional Steering Mechanism

當巡檢小車處于全轉向模式時，轉向鎖一10 通電，轉向鎖二14 斷電，使前后輪的轉向拉桿9 之間為轉動副，豎桿11 與直線導軌滑塊之間為移動副；前輪與后輪機構對稱，實現前后車輪“八”字轉動，如圖2（a）所示。四個車輪法線交于底盤中心時實現零半徑轉向運動；當車輪轉動90°時，可實現橫向移動。當需要實現四輪轉向模式時，轉向鎖一10 斷電，轉向鎖二14 通電，使前后輪的轉向拉桿9 鎖死為一整體，豎桿11 可左右擺動，前后輪轉向對稱，皆為下梯形轉向，如圖2（b）所示。

圖2 兩種轉向模式原理圖Fig.2 Schematics of Two Steering Modes

2.2 轉向切換裝置設計

在巡檢小車工作過程中，需要實現在兩種轉向模式間自由切換，故應設計合理的轉向切換裝置，以保證兩套機構各司其職又不相互干涉。因此采用了兩種轉向切換裝置獨立控制。

通過前后轉向拉桿連接處的轉向鎖一切換拉桿運動方式，轉向軸上固接導向鍵，拉桿與豎桿內壁均開鍵槽，鎖蓋上固接銜鐵，轉向軸上端安裝硅鋼片與彈簧。當硅鋼片通電，產生磁力吸引轉向軸向上運動，拉桿二脫離導向鍵，左右拉桿解除鎖定可相對轉動；當硅鋼片斷電，在彈簧回彈力作用下使轉向軸向下運動，導向鍵嵌入左右拉桿鍵槽內，左右拉桿鎖定為一個整體，如圖3（a）所示。

通過豎桿側邊轉向鎖二切換豎桿運動方式，如圖3（b）所示。在全轉向模式下轉向鎖二的鎖舌彈入豎桿延伸部的鎖孔，與豎桿鎖定為一個整體，由于轉向鎖二裝于直線導軌之上，只能直線移動；在四輪轉向模式下，豎桿與轉向鎖二解除鎖定，豎桿可左右擺動。

圖3 轉向切換裝置結構圖Fig.3 Structure of Steering Switches

3 運動學模型分析

圖4 四輪轉向模式運動模型Fig.4 Motion Model of 4W-Steering Mode

巡檢小車的四個車輪均由輪轂電機單獨驅動，為了控制巡檢小車轉向時平穩，盡可能地減小滑動，則需保證車輪轉向瞬心交于一點，即滿足阿克曼轉向模型。四輪轉向模式是在阿克曼轉向模型的基礎上，建立前后輪反向轉動差速轉向模型，前后四輪均參與轉向操作，且前輪與后輪轉向角度橫向對稱[6]，根據圖4 可分析得到各個車輪轉向角度與運行速度的關系。

將速度輸入與轉角輸入簡化為小車中間的兩輪參考模型，轉向參考角度輸入設為α，驅動參考速度設為v，小車的瞬時轉向半徑為R。

左、右車輪的轉彎半徑得到之后，可繼續推導出左、右側轉向前輪的轉彎角度α1和α2：

在已知小車轉彎速度v 的情況下，可得到車輛各車輪的速度：

式中：vfl—左前輪驅動速度；vfr—右前輪驅動速度；vrl—左后輪驅動速度；vrr—右后輪驅動速度。

全轉向模式是巡檢小車在狹窄空間巡檢、轉向時采用的一種特殊轉向方式，分為零半徑轉向與橫向移動。零半徑轉向要求四個車輪全部參與大角度轉向，前輪與后輪對稱，均向外側“八”字轉向，直到四個車輪的法線相交于小車底盤幾何中心，此時各個車輪的轉角方向和行駛速度關系，如圖5（a）所示。

圖5 全轉向模式兩種運動模型Fig.5 Motion Model of Omni-Directional Mode

由于車輪都在由軸距與輪距組成的矩形的外接圓上，并且四個車輪的法線相交于小車底盤幾何中心，所以各個車輪轉角的大小均相同，各車輪速度的大小也相同。

巡檢小車在進行原地零半徑轉向時，根據式（5），控制全轉向電機使車輪完成相應的轉動角度，根據式（6），控制四個輪轂電機以目標速度進行零半徑轉向。

當巡檢小車做橫向移動時，車輪繼續以零半徑轉向的方式轉向，直到四個車輪的轉向角度增至90°，如圖5（b）所示。此時四個車輪的驅動速度關系同樣，如式（6）所示。

4 輪轂電機控制策略分析

基于輪轂電機獨立驅動的全轉向系統，其控制內容包括輪轂電機的驅動與差速控制。輪轂電機由PID 控制算法的PWM 實現調速。根據輪轂直流電機特性[7]，對電機的轉速與電流進行精確控制，使巡檢小車在不同行駛狀態下具備不同的行駛要求。由此選擇電流內環、轉速外環的雙閉環控制系統[8]，輪轂電機驅動控制框圖，如圖6 所示。給定轉速與電機實際轉速的偏差作為轉速控制器的輸入信號，計算得出的參考電流值作為電流控制器的輸入，然后再用電流調節器的輸出電壓來控制驅動模塊。對于電流內環采用遇限削弱積分（PI）調節，外環轉速采用比例積分（PI）調節，實現系統達到響應快、轉速無靜差的控制效果。

圖6 輪轂電機雙閉環控制框圖Fig.6 Double Closed Loop Control Block Diagram

為了巡檢小車在轉向過程中各個車輪純滾動，提高行駛的穩定性，需要對四個電機的轉速進行分配。在輪轂電機雙閉環PID 控制的基礎上增加速度反饋環節，即差速控制器[9]實時采集四個電機轉速信號并與目標速度相比較，根據四輪速度分配原則控制四個電機，差速控制框圖，如圖7 所示。四輪速度分配關系由運動學模型得出的關系式（1）～式（6）確定。

圖7 輪轂電機差速控制框圖Fig.7 Differential Control Block Diagram

5 仿真模型結果分析

5.1 基于ADAMS 運動仿真分析

將SolidWorks 中已建好的裝配體模型簡化處理后導入Adams 中做后續的運動學分析，轉向電機以恒定轉速輸入，得到兩種轉向模式下轉向電機與四個車輪之間的轉角關系。從圖8（a）中可以看出車輪轉向角度連續增加至90°，可以滿足全轉向及橫向行駛的要求；車輪轉向角速度逐漸增大，巡檢小車易出現抖動，因此在轉至橫向行駛之前轉向電機應降低轉速輸出。在四輪轉向模式下前輪與后輪轉向角度橫向對稱，右轉時車輪轉向關系，如圖8（b）所示?？梢钥闯鲇逸嗈D角總是大于左輪轉角，符合四輪轉向運動模型，轉角變化平緩符合平穩轉向的要求。

圖8 轉向電機轉角與車輪轉角關系曲線Fig.8 Angle Curves of Steering Motor and Wheels

5.2 基于MATLAB/Simulink 控制仿真分析

圖9 輪轂電機的速度響應曲線Fig.9 Speed Response Curves of In-Wheel Motor

在仿真試驗中，輪轂電機的參數設為：定子相電阻R=0.436Ω，磁鏈Phi=0.1848Wb，定子相電感L=0.106mH，轉動慣量J=85×10-6kg·m2，阻尼系數 Bv=4.047×10-5N·m·s，極對數 P=1，24V 直流電源供電。已知車輪直徑90mm，巡檢小車在初始轉速70r/min 的前提下得到四輪轉向與全轉向行駛條件下的差速仿真結果，如圖9 所示。從圖9 中可以看出在電流環與速度環控制下電機啟動響應時間短，無超調，抑制擾動的能力強。圖9（a）為四輪轉向時輪轂電機轉速響應結果：電機啟動后在0.058s 時刻達到初始穩定轉速70r/min，在0.20s 時刻開始差速轉向，差速轉向響應時間約為0.1s。從圖9（b）可看出全轉向時四個輪轂電機轉速相同，其轉速響應結果為：電機啟動后0.50s 時刻達到初始穩定轉速，在0.1s時刻速度變化，響應時間小于0.01s。

6 結論

在分析現有全轉向系統實現方法的基礎上，根據地下綜合管廊的空間結構及工作環境，提出了一種新型的巡檢小車全轉向實現方案，開展了相應的結構設計，建立了不同轉向模式下的運動學模型，得到了車輪之間的速度關系；并利用ADAMS 進行了運動分析，得到四個車輪的轉向特性曲線，兩種轉向模式均能實現相應的轉向功能；基于MATLAB/Simulink 建立輪轂電機全轉向的控制系統模型，仿真得到兩種行駛模式下的輪轂電機的轉速響應曲線，通過雙閉環PID 控制算法滿足輪轂電機快速、穩定、靈敏的控制要求。