遙操作汽車的底盤設(shè)計(jì)及仿真分析

沈儒謙

武警士官學(xué)校 浙江省杭州市 311400

1 引言

集裝箱運(yùn)輸成為一種重要的交通運(yùn)輸方式是在經(jīng)濟(jì)全球化和世界貿(mào)易的加快的背景下產(chǎn)生的，據(jù)統(tǒng)計(jì)當(dāng)今世界采用海上運(yùn)輸?shù)姆绞秸际澜缳Q(mào)易的90% 以上，集裝箱運(yùn)輸占其中的一半以上。由此，在港口貨運(yùn)中扮演著重要角色的集裝箱碼頭也得到了迅猛的發(fā)展，在進(jìn)出口港口中所發(fā)揮了越來越明顯的作用。具有高度現(xiàn)代化及自動(dòng)化的碼頭裝卸設(shè)備和運(yùn)作流程也逐漸在世界范圍內(nèi)普及開來，而遙操作汽車因?yàn)槠渚哂凶灾饕龑?dǎo)、不需要人為駕駛、能夠自動(dòng)避障、設(shè)計(jì)路徑優(yōu)化、精確定位以及智能化等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代化的港口中。

遙操作汽車系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):能夠提高港口貨物搬運(yùn)的效率，降低勞動(dòng)力成本和一些基礎(chǔ)設(shè)施成本;可以24 小時(shí)不間斷運(yùn)作,提高貿(mào)易的效益;減少傳統(tǒng)搬運(yùn)中人員因意外事故而造成的損失費(fèi)用。目前遙操作汽車的技術(shù)已取得了非常大的突破，可在實(shí)際運(yùn)用中依然遇到了各種需要改進(jìn)的問題。既然要求能夠自主搬運(yùn)，那就應(yīng)該能對周圍的環(huán)境進(jìn)行分析。如果只通過攝像頭來獲取周遭信息，很容易受到環(huán)境的影響，如攝像頭鏡面被灰塵覆蓋或因?yàn)楣饩€不足對周遭信息反應(yīng)不靈敏。還有自主搬運(yùn)能夠?qū)崿F(xiàn)的距離，控制信號是否穩(wěn)定可靠等也是一些難點(diǎn)。因此，對于可能出現(xiàn)的問題，需要對遙操作汽車進(jìn)行設(shè)計(jì)和改善。

2 整體方案的確定

2.1 遙操作汽車設(shè)計(jì)總體方案

本次遙操作汽車的設(shè)計(jì)主要以底盤和載貨平臺的設(shè)計(jì)、直流電機(jī)的選型、選擇通訊控制硬件及編寫軟件程序?yàn)橹鳌Ｗ罱K使遙操作汽車完成以下設(shè)計(jì)：

a.最大載貨量≥1t

b.最高速度≥45Km/h

c.最大爬坡度≥20%（5Km/h）

d.0-30Km/h 加速時(shí)間≤10S

e.采用中央電機(jī)驅(qū)動(dòng)，前輪電機(jī)轉(zhuǎn)向，wifi控制。

為達(dá)到滿足以上所述的要求，需根據(jù)以下5 個(gè)方面，初步確定其整體方案。

(1) 動(dòng)力方面。自動(dòng)化是港口貨運(yùn)未來發(fā)展的必然趨勢，而采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)與采用液壓驅(qū)動(dòng)相比更易完成自動(dòng)化控制，并且電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有高效率，節(jié)省空間等優(yōu)勢。本次遙操作汽車的設(shè)計(jì)選擇直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來作為整車的動(dòng)力源。這方面的設(shè)計(jì)任務(wù)主要是是對直流電機(jī)進(jìn)行計(jì)算選型。

(2) 轉(zhuǎn)向方面。由于本車要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向無法適應(yīng)此要求，所以設(shè)計(jì)用電機(jī)來控制轉(zhuǎn)向。若選用四輪輪轂轉(zhuǎn)向會對輪胎產(chǎn)生較大的磨損，因此選擇前輪轉(zhuǎn)向更為合適。這方面的設(shè)計(jì)任務(wù)主要是對轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行計(jì)算選型。

(3) 影像獲取方面。這方面主要是遙操作汽車通過安裝前后攝像頭來達(dá)到。攝像頭可以采集環(huán)境信息并予以傳送，信息被輸送到遙操作汽車的控制系統(tǒng)來命令汽車的行動(dòng)。利用遙操作汽車模型來對比三維模型和遙操作汽車的真實(shí)效果，驗(yàn)明模擬仿真系統(tǒng)的可靠性。該模型包括了信號接收發(fā)送系統(tǒng)，底盤系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)。

(4) 控制方面。這部分性能的提升以軟件部分的程序編寫為主，硬件部分需要對電路板，驅(qū)動(dòng)電路板，無線路由器等進(jìn)行選型。遙操作汽車操縱系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容:以LabVIEW 軟件作為平臺，編寫程序和控制方程式，搭建操作定位系統(tǒng)，系統(tǒng)將承擔(dān)接收信號，傳遞位置信息等任務(wù)。

(5) 載貨方面。針對港口貨運(yùn)的特點(diǎn)，主要的載貨對象為集裝箱，因此遙操作汽車載貨平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是要迎合集裝箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。但考慮到貨物種類繁多，也要對其他類型的貨物運(yùn)輸進(jìn)行考量。

2.2 遙操作汽車底盤模型的搭建

搭建合適的汽車模型。主要包括底盤的總成，動(dòng)力系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

遙操作汽車底盤總體。

圖1 遙操作汽車底盤的總體方案圖

3 遙操作汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算

（1）整車的基本性能和指標(biāo)如下：

a.最高速度≥45Km/h

b.最大爬坡度≥20%（5Km/h）

c.0-30Km/h 加速時(shí)間≤10S

（2）整車參數(shù)

表1 整車參數(shù)表

（3）根據(jù)最高車速確定最大功率

根據(jù)爬坡性能確定最大功率

根據(jù)加速時(shí)間確定最大功率

綜上所述，電機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)滿足：

由于取過載系數(shù)為2，則額定功率為2100W。

3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇

經(jīng)過各類電機(jī)特點(diǎn)分析，永磁無刷電機(jī)的優(yōu)勢有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、運(yùn)行時(shí)可靠、質(zhì)量小、體積小、耗能少、驅(qū)動(dòng)效率高，以及選擇電動(dòng)機(jī)的尺寸和形狀可以根據(jù)具體需要而靈活多樣等，因此選定永磁無刷電機(jī)作為本車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

綜合以上理論計(jì)算，確定遙操作汽車后輪電機(jī)的型為BM1424HQF-14BA，其參數(shù)如下表：

表2 永磁無刷直流電機(jī)參數(shù)表

4 遙操作汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 轉(zhuǎn)向電機(jī)選擇

取用減速比為100：1 和雷賽伺服電機(jī)，其號為ACM6002L2H-10-B,其參數(shù)如下表:

表3 雷賽伺服電機(jī)參數(shù)表

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)上采用如下圖的模式：

圖2 電機(jī)與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的連接

圖3 電機(jī)在前輪的固定方式

5 整車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5.1 下位機(jī)的選擇

凌華科技生產(chǎn)的MXC-2300 可擴(kuò)展無風(fēng)扇計(jì)算機(jī)，與同類產(chǎn)品相比具有性能高、功耗低以及智能管理等優(yōu)勢，這讓它廣泛應(yīng)用于機(jī)械自動(dòng)化、車載安全監(jiān)控、智能型交通運(yùn)輸、海運(yùn)及能源等領(lǐng)域。

（1）卓越的計(jì)算性能同時(shí)兼具低功耗的優(yōu)勢

MXC-2300 采用了新款四核系統(tǒng)單芯片(SoC)處理器，擁有強(qiáng)大的計(jì)算、圖形和訊號處理能力，能耗表現(xiàn)出色，節(jié)約能源，更能在十分嚴(yán)苛的散熱條件下良好運(yùn)行。采用IntelR Gen 7 Graphics，能夠同時(shí)處理最多15 路1080P 每秒30 格影像的高速譯碼，全高清高畫質(zhì)影像和3D 圖形的處理性也得以增強(qiáng)。

（2）整合并加速系統(tǒng)與各設(shè)備間的通信能力

為了使系統(tǒng)各設(shè)備間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸更加安全可靠并有效率，MXC-2300 內(nèi)建了2 個(gè)隔離式CAN 總線，能夠有效地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)控制，智能化交通運(yùn)輸，安全行車監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域的需求。

（3）高彈性擴(kuò)展槽與豐富的I/O 設(shè)計(jì)

凌華科技MXC-2300 提供了3 個(gè)高速PCI/PCIe 以及1個(gè)mini-PCIe 插槽，讓使用者能夠在多樣化的選擇下可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求來靈活彈性地配置。豐富的前面板I/O 端口設(shè)計(jì)，讓系統(tǒng)擴(kuò)展、安裝與維護(hù)變得更輕松，能夠滿足多樣化嵌入式應(yīng)用的需求。

5.2 攝像頭的選擇

攝像機(jī)主要負(fù)責(zé)的是圖像的采集，類別有數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、模擬攝像機(jī)和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)又可稱為IP 攝像機(jī)，它能夠?qū)⒁曨l流通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，非常適合用于遠(yuǎn)程控制，滿足遙操作的要求。

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，本次采用了AXIS M 1013 IP Camera，有M 1013 支持前端儲存，可獨(dú)立配置H.264 和JPEG 格式的視頻流，最高幀率為每秒30 幀，最高分辨率為1024×1024，同時(shí)可支持IPv4和IPv6的協(xié)議。除此之外，AXIS IP camera 是Lab VIEW 編程軟件支持的2款I(lǐng)P 攝像機(jī)之一。將M1013 用以太網(wǎng)線與筆記本電腦連接，將PC 筆記本電腦與M 1013 的IP 設(shè)置在同一局域網(wǎng)內(nèi)，即可通過LabVIE 軟件對IP Camera M 1013獲取的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并處理。

5.3 編程環(huán)境選擇和控制思路

LabVIEW 是一種用于程序開發(fā)的軟件，與其他計(jì)算機(jī)語言相比具有的明顯區(qū)別：LabVIEW 使用了圖形化的編輯語言G編寫程序，以框圖的形式來產(chǎn)生程序，而其他的計(jì)算機(jī)語言都采用的是基于文本的語言來產(chǎn)生代碼。LabVIEW 軟件作為NI 設(shè)計(jì)平臺的核心，也廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)。該軟件自身擁有十分完整的函數(shù)庫，包括了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、GPIB、串口控制等等，使程序的調(diào)試更加方便。除此以外，LabVIEW 可提供多種在外觀上與傳統(tǒng)儀器如示波器、萬用表等類似的控件，讓使用者創(chuàng)建用戶界面更加方便。

本次設(shè)計(jì)使用labview 編寫上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)以下功能：首先由攝像頭傳回前方圖像，控制臺的操作人員通過顯示器上傳回的圖像進(jìn)行判斷要進(jìn)行轉(zhuǎn)向或者加速，通過TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，將方向盤和踏板的數(shù)據(jù)傳輸給下位機(jī)，下位機(jī)根據(jù)上位機(jī)的指令完成相應(yīng)的動(dòng)作與功能。

6 遙操作汽車載貨平臺的設(shè)計(jì)及仿真分析

6.1 載貨平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先設(shè)計(jì)成與車身一體的載貨平臺，這樣可以節(jié)省空間和材料，便于安裝，并且車身側(cè)邊裝有液晶顯示頻，能夠?qū)崟r(shí)反映遙操作汽車的整體情況參數(shù)，載貨重量，設(shè)計(jì)規(guī)劃任務(wù)等。車身由三部分組成，分別覆蓋了汽車的前、中、后端。液晶顯示屏安放在中間部分的側(cè)面。以下便是載貨平臺即車身的三維建模圖像。

圖4 載貨平臺的三維建模圖

其次是平臺上用于裝載集裝箱的夾具的設(shè)計(jì)。在實(shí)際的港口集裝箱搬運(yùn)中，集裝箱是由吊車將其從貨船上懸吊起來再安放至遙操作汽車上，在這過程中集裝箱會不停地產(chǎn)生晃動(dòng)，很難實(shí)現(xiàn)以正確的位置安放，因此需要在載貨平臺上設(shè)置夾具對集裝箱下落時(shí)的位置進(jìn)行修正。另外，夾具還可起到固定作用，避免集裝箱在遙操作汽車行駛時(shí)產(chǎn)生滑移、偏擺等不安全因素。

以下是夾具的三維建模圖像

圖5 夾具的三維建模圖像

圖6 載貨平臺和夾具的裝配圖

6.2 simulation 仿真

應(yīng)用SolidWorks simulation 仿真功能對小車進(jìn)行受力仿真如圖8，它可以迅速的檢測、分析和比較多種參數(shù)，在分析得出的結(jié)果上重新修改設(shè)計(jì)方案。建立虛擬仿真的方法可以在很大的程度上減少了昂貴的物理模型制造和實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。下面擬選用以合金鋼為材料的載貨平臺在1 噸重的集裝箱即10000N 的壓力下進(jìn)行受力仿真分析。

6.3 仿真結(jié)果

如圖9 為選用合金鋼在1 噸壓力下的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，以合金鋼為材料的載貨板在1 噸的壓力下產(chǎn)生些許變形，其數(shù)值在正常范圍內(nèi)，因此該方案可行。

圖7 裝載1 噸重集裝箱時(shí)的遙操作汽車模型圖

圖8 遙操作汽車載貨平臺的受力仿真過程

圖9 選用合金鋼在1 噸壓力下的仿真結(jié)果

7 總結(jié)

本次設(shè)計(jì)搭建出了一個(gè)較為完整的遙操作汽車底盤及其載貨平臺，實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）成功驅(qū)動(dòng)遙操作汽車底盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及相關(guān)的傳感器，并向上位機(jī)控制平臺提供控制接口以實(shí)現(xiàn)基本的手動(dòng)控制；

（2）利用LabVIEW 內(nèi)置的視覺處理模塊，對遙操作汽車的彩色攝像頭采集到的圖像進(jìn)行顏色識別處理，并利用視覺導(dǎo)航對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)控制；

（3）所設(shè)計(jì)的載貨平臺能夠滿足重量為1 噸的集裝箱的搬運(yùn)工作，保證運(yùn)載時(shí)的便捷，安全。并且也能完成不同類型貨物的多用途運(yùn)輸。