遙操作汽車的底盤設計及仿真分析

沈儒謙

摘 要：本課題的主要內容是設計出一款應用于港口貨物搬運中的智能化搬運遙操作汽車，它具備以下功能：支持遠程控制并且可以通過自帶的攝像頭進行自主運動實現智能化工作，同時支持手控與自控模式的靈活切換以防止遙操作汽車發生故障時造成不必要的損失。本文提供了遙操作汽車的設計方案和一些軟件的編寫，搭建遙操作汽車的控制平臺以實現遙操作汽車所需的功能。

關鍵詞：視覺導航 自動搬運 遠程控制

Chassis Design and Simulation Analysis of Teleoperation Vehicles

Shen Ruqian

Abstract：The main content of this project is to design an intelligent transport teleoperation car for port cargo handling. It has the following functions： support remote control and can carry out autonomous movement through its own camera to achieve intelligent work， and support hands The flexible switching between the control and automatic control modes prevents unnecessary losses in the event of a malfunction of the remotely operated vehicle.This article provides a design plan for remotely operated cars and the preparation of some software to build a control platform for remotely operated cars to achieve the functions required for remotely operated cars.

Key words：Visual Navigation; Automatic Handling; Remote Control

1 引言

集裝箱運輸成為一種重要的交通運輸方式是在經濟全球化和世界貿易的加快的背景下產生的，據統計當今世界采用海上運輸的方式占世界貿易的90%以上，集裝箱運輸占其中的一半以上。由此，在港口貨運中扮演著重要角色的集裝箱碼頭也得到了迅猛的發展，在進出口港口中所發揮了越來越明顯的作用。具有高度現代化及自動化的碼頭裝卸設備和運作流程也逐漸在世界范圍內普及開來，而遙操作汽車因為其具有自主引導、不需要人為駕駛、能夠自動避障、設計路徑優化、精確定位以及智能化等特點，已經被廣泛地應用于現代化的港口中。

遙操作汽車系統具有以下優點：能夠提高港口貨物搬運的效率，降低勞動力成本和一些基礎設施成本;可以24小時不間斷運作，提高貿易的效益;減少傳統搬運中人員因意外事故而造成的損失費用。目前遙操作汽車的技術已取得了非常大的突破，可在實際運用中依然遇到了各種需要改進的問題。既然要求能夠自主搬運，那就應該能對周圍的環境進行分析。如果只通過攝像頭來獲取周遭信息，很容易受到環境的影響，如攝像頭鏡面被灰塵覆蓋或因為光線不足對周遭信息反應不靈敏。還有自主搬運能夠實現的距離，控制信號是否穩定可靠等也是一些難點。因此，對于可能出現的問題，需要對遙操作汽車進行設計和改善。

2 整體方案的確定

2.1 遙操作汽車設計總體方案

本次遙操作汽車的設計主要以底盤和載貨平臺的設計、直流電機的選型、選擇通訊控制硬件及編寫軟件程序為主。最終使遙操作汽車完成以下設計：

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加速時間≤10S

e.采用中央電機驅動，前輪電機轉向，wifi控制。

為達到滿足以上所述的要求，需根據以下5個方面，初步確定其整體方案。

（1）動力方面。自動化是港口貨運未來發展的必然趨勢，而采用電機驅動與采用液壓驅動相比更易完成自動化控制，并且電機驅動具有高效率，節省空間等優勢。本次遙操作汽車的設計選擇直流電機驅動系統來作為整車的動力源。這方面的設計任務主要是是對直流電機進行計算選型。

（2）轉向方面。由于本車要實現遠程控制，傳統的機械轉向無法適應此要求，所以設計用電機來控制轉向。若選用四輪輪轂轉向會對輪胎產生較大的磨損，因此選擇前輪轉向更為合適。這方面的設計任務主要是對轉向電機進行計算選型。

（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到。攝像頭可以采集環境信息并予以傳送，信息被輸送到遙操作汽車的控制系統來命令汽車的行動。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效果，驗明模擬仿真系統的可靠性。該模型包括了信號接收發送系統，底盤系統和動力系統。

（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，驅動電路板，無線路由器等進行選型。遙操作汽車操縱系統軟件設計的主要內容：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，系統將承擔接收信號，傳遞位置信息等任務。

（5）載貨方面。針對港口貨運的特點，主要的載貨對象為集裝箱，因此遙操作汽車載貨平臺的結構設計主要是要迎合集裝箱結構特點。但考慮到貨物種類繁多，也要對其他類型的貨物運輸進行考量。

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，動力系統，控制系統，轉向系統。

遙操作汽車底盤總體[1]。

3 遙操作汽車驅動系統的設計

3.1 驅動電機的選型計算

3.2 驅動電機的選擇

經過各類電機特點分析，永磁無刷電機的優勢有結構設計簡單、運行時可靠、質量小、體積小、耗能少、驅動效率高，以及選擇電動機的尺寸和形狀可以根據具體需要而靈活多樣等，因此選定永磁無刷電機作為本車的驅動電機。

綜合以上理論計算，確定遙操作汽車后輪電機的型為BM1424HQF-14BA，其參數如下表：

4 遙操作汽車轉向系統的設計

4.1 轉向電機選擇

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

4.2 結構設計

在結構上采用如下圖的模式：

5 整車控制系統的設計

5.1 下位機的選擇

凌華科技生產的MXC-2300可擴展無風扇計算機[2]，與同類產品相比具有性能高、功耗低以及智能管理等優勢，這讓它廣泛應用于機械自動化、車載安全監控、智能型交通運輸、海運及能源等領域。

（1）卓越的計算性能同時兼具低功耗的優勢

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

（2）整合并加速系統與各設備間的通信能力

為了使系統各設備間的實時數據傳輸更加安全可靠并有效率，MXC-2300內建了2個隔離式CAN總線，能夠有效地應用于工業生產控制，智能化交通運輸，安全行車監測等多個領域的需求。

（3）高彈性擴展槽與豐富的I/O設計

凌華科技MXC-2300提供了3個高速PCI/PCIe以及1個mini-PCIe插槽，讓使用者能夠在多樣化的選擇下可以根據不同的應用需求來靈活彈性地配置。豐富的前面板I/O端口設計，讓系統擴展、安裝與維護變得更輕松，能夠滿足多樣化嵌入式應用的需求。

5.2 攝像頭的選擇

攝像機主要負責的是圖像的采集，類別有數字攝像機、模擬攝像機和網絡攝像機等。網絡攝像機又可稱為IP攝像機，它能夠將視頻流通過有線或者無線網絡進行傳輸，非常適合用于遠程控制，滿足遙操作的要求。

為了實現遠程控制，本次采用了AXIS M 1013 IP Camera，有M 1013支持前端儲存，可獨立配置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，同時可支持IPv4和IPv6的協議。除此之外，AXIS IP camera是Lab VIEW編程軟件支持的2款IP攝像機之一。將M1013用以太網線與筆記本電腦連接，將PC筆記本電腦與M 1013的IP設置在同一局域網內，即可通過LabVIE軟件對IP Camera M 1013獲取的圖像進行實時采集并處理[3]。

5.3 編程環境選擇和控制思路

LabVIEW是一種用于程序開發的軟件，與其他計算機語言相比具有的明顯區別：LabVIEW使用了圖形化的編輯語言G編寫程序，以框圖的形式來產生程序，而其他的計算機語言都采用的是基于文本的語言來產生代碼。LabVIEW軟件作為NI設計平臺的核心，也廣泛應用于控制系統[4]。該軟件自身擁有十分完整的函數庫，包括了數據采集、數據分析、數據顯示、數據存儲、GPIB、串口控制等等，使程序的調試更加方便。除此以外，LabVIEW可提供多種在外觀上與傳統儀器如示波器、萬用表等類似的控件，讓使用者創建用戶界面更加方便。

本次設計使用labview編寫上位機程序實現以下功能：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行判斷要進行轉向或者加速，通過TCP/IP的網絡通訊協議，將方向盤和踏板的數據傳輸給下位機，下位機根據上位機的指令完成相應的動作與功能。

6 遙操作汽車載貨平臺的設計及仿真分析

6.1 載貨平臺的結構設計

首先設計成與車身一體的載貨平臺，這樣可以節省空間和材料，便于安裝，并且車身側邊裝有液晶顯示頻，能夠實時反映遙操作汽車的整體情況參數，載貨重量，設計規劃任務等。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面。以下便是載貨平臺即車身的三維建模圖像。

其次是平臺上用于裝載集裝箱的夾具的設計。在實際的港口集裝箱搬運中，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生晃動，很難實現以正確的位置安放，因此需要在載貨平臺上設置夾具對集裝箱下落時的位置進行修正。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產生滑移、偏擺等不安全因素。

以下是夾具的三維建模圖像

6.2 simulation仿真

應用SolidWorks simulation 仿真功能對小車進行受力仿真如圖8，它可以迅速的檢測、分析和比較多種參數，在分析得出的結果上重新修改設計方案。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驗費用。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的壓力下進行受力仿真分析。

6.3 仿真結果

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

7 總結

本次設計搭建出了一個較為完整的遙操作汽車底盤及其載貨平臺，實現的功能如下：

（1）成功驅動遙操作汽車底盤驅動系統、執行機構以及相關的傳感器，并向上位機控制平臺提供控制接口以實現基本的手動控制;

（2）利用LabVIEW內置的視覺處理模塊，對遙操作汽車的彩色攝像頭采集到的圖像進行顏色識別處理，并利用視覺導航對機器人的運動進行自動控制;

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

參考文獻：

[1]劉鑫.四輪獨立電動汽車的驅動控制方法與平順性分析[D].石家莊鐵道大學，2016.

[2]凌華科技 嵌入式計算機MXC2300[J].自動化博覽.2014（8）：17.

[3]趙黎明.基于單目視覺的港口AGV自主導航關鍵技術研究[D].集美大學，2015.

[4]劉蔚.二氧化碲—維納米結構的氣敏性能研究[D].湖南師范大學，2015.