AWID/AWIS转向控制系统研究与设计
摘要
AWID/AWIS高速高机动机器人是一种新型轮式机器人平台,能够全轮独立驱动和全轮独立转向,具有AWID/AWIS特性的机器人平台具有更多、更灵活的驱动和转向方式,能够提供更多的运动模式(如横向移动、原地转向等多种运动模式),可用于对空间受限的高速、高机动性的轮式机器人的研究,代表了未来高级车辆、军用车辆、无人驾驶车辆和大型轮式移动机器人的发展方向。
本文以具有代表性的四轮独立驱动独立转向机器人为研究对象,重点对机器人转向控制系统进行研究。该机器人平台基于4个一体化车轮,可以实现向内90°,向外45°转向,通过电子转向控制器,协调控制各个车轮的角度,实现直行、横移、斜行、常规转向、前后轮转向、绕圆转向共6种运动模式。车轮和方向盘之间没有机械连接,通过电子单元控制车轮控制,属于线控转向方式。
本文首先研究了转向技术的发展历史,这是AWID/AWIS机器人平台转向系统稳定、可靠、有效运行的关键,结合我们研制的AWID/AWIS高速高机动机器人平台总体目标,设计了基于CAN总线的分布式控制网络,描述了具体实现过程,并对CAN网络的负载能力及再加载能力进行研究。对起关键作用的电机、执行机构、传感器系统的设计思路和实现方法进行了重点介绍,为以后机器人转向系统结构的研究打下了基础。为使操作者对路面状况和阻力变化有直接感觉,本文对回正力矩的产生进行分析,给出了路感的定义和模拟路感的方法。最后从运动稳定性出发,分析了转向过程中传动比随横摆角速度增益的变化规律,介绍了基于理想传动比的控制策略。
本文对转向控制器进行硬件设计和软件设计。控制器需要对转角、转速、电流等信号进行实时采集,因此数字测量处理电路和模拟测量处理电路必不可少,此外,电机的驱动电路,也是转向控制器的关键部分,需要重点设计。为了提高系统的可靠性,引入了冗余概念,在电路中增加了CAN冗余设计,提高系统的容错能力。
操作稳定性是平台转向过程的重要指标,本文从运动学角度出发,总结了机器人平台6种运动模式,对前后轮转向过程中的转角、转向半径协调关系进行研究,总结四轮独立转向时转向中心位置的范围,分析了任意半径转向的可能性。从动力学模型出发,研究了横摆角速度、侧向加速度、侧偏角等稳定性指标的时域响应,为进一步研究机器人平台的上层控制提供了思路。
最后对本文进行总结,提出了下一步工作的展望。
AWID/AWIS high-speed and high-maneuver platform is a new wheeled mobile robot platform with all wheels independent driving and independent steering function. It has more features, more flexible combination of driving and steering, and can provide more sport modes (such as lateral movement, pivot turn and other sport mode).Through this platform we can study the speed and maneuverability in small area. It is the development tendency of vehicle, such as the advanced civil vehicle, military vehicle, unmanned vehicle and wheel mobile robots with high speed ability in the future. This paper puts forward the typical 4WIS/4WID mobile robot as the research target and mainly studies the Steer Control System. The robot has 4 integrated wheels with inside 90°, outside 45°limited angle, controlled by electronic controller with lateral movement, pivot turn and other 4 sport modes. No mechanical connection is existing between wheels and handwheel, therefore it belongs to Steer-By-Wire system.
The paper deals with the steer technology at the beginning, which is the basis of the stable and effective operation. With the overall goals of AWID/AWIS, we construct the distributed control network, and the implementation of distributed network is given in detail. Also, the capacity of load and reload of network is analysed carefully in the next. To improve direct feeling of road and resistance, we analyse the cause of lateral force and give a formula to evaluate it. From kinematics stability perspective, we study the regularity for Steering Ratio with change of yaw velocity and introduce an ideal steer radio model.
This paper presents software design and hardware design of wheel-controller. Angle velocity, current and position need to be collected realtime, thus digital and analog process circuits are essential in steer-controller. In addition, the driver circuit is also the critical component for motor control. To improve the reliability, redundancy idea is adopted, such as CAN redundancy and interface redundancy.
Operational stability is the important guideline for checking and balancing the platform performance when steering. From the kinematics perspective, we summarize 6 sport modes and study the relevances between steer radius and steer angle for research the operational stability. Further more, turning center is given in a limited area. Besides, we analyse the yaw velocity, lateral acceleration, slip angle as steering and give the domain response and steady-state gain, which lays the foundation for following research of stability control.
Finally, we conclude this paper and give suggestions for future research.
本文以具有代表性的四轮独立驱动独立转向机器人为研究对象,重点对机器人转向控制系统进行研究。该机器人平台基于4个一体化车轮,可以实现向内90°,向外45°转向,通过电子转向控制器,协调控制各个车轮的角度,实现直行、横移、斜行、常规转向、前后轮转向、绕圆转向共6种运动模式。车轮和方向盘之间没有机械连接,通过电子单元控制车轮控制,属于线控转向方式。
本文首先研究了转向技术的发展历史,这是AWID/AWIS机器人平台转向系统稳定、可靠、有效运行的关键,结合我们研制的AWID/AWIS高速高机动机器人平台总体目标,设计了基于CAN总线的分布式控制网络,描述了具体实现过程,并对CAN网络的负载能力及再加载能力进行研究。对起关键作用的电机、执行机构、传感器系统的设计思路和实现方法进行了重点介绍,为以后机器人转向系统结构的研究打下了基础。为使操作者对路面状况和阻力变化有直接感觉,本文对回正力矩的产生进行分析,给出了路感的定义和模拟路感的方法。最后从运动稳定性出发,分析了转向过程中传动比随横摆角速度增益的变化规律,介绍了基于理想传动比的控制策略。
本文对转向控制器进行硬件设计和软件设计。控制器需要对转角、转速、电流等信号进行实时采集,因此数字测量处理电路和模拟测量处理电路必不可少,此外,电机的驱动电路,也是转向控制器的关键部分,需要重点设计。为了提高系统的可靠性,引入了冗余概念,在电路中增加了CAN冗余设计,提高系统的容错能力。
操作稳定性是平台转向过程的重要指标,本文从运动学角度出发,总结了机器人平台6种运动模式,对前后轮转向过程中的转角、转向半径协调关系进行研究,总结四轮独立转向时转向中心位置的范围,分析了任意半径转向的可能性。从动力学模型出发,研究了横摆角速度、侧向加速度、侧偏角等稳定性指标的时域响应,为进一步研究机器人平台的上层控制提供了思路。
最后对本文进行总结,提出了下一步工作的展望。
AWID/AWIS high-speed and high-maneuver platform is a new wheeled mobile robot platform with all wheels independent driving and independent steering function. It has more features, more flexible combination of driving and steering, and can provide more sport modes (such as lateral movement, pivot turn and other sport mode).Through this platform we can study the speed and maneuverability in small area. It is the development tendency of vehicle, such as the advanced civil vehicle, military vehicle, unmanned vehicle and wheel mobile robots with high speed ability in the future. This paper puts forward the typical 4WIS/4WID mobile robot as the research target and mainly studies the Steer Control System. The robot has 4 integrated wheels with inside 90°, outside 45°limited angle, controlled by electronic controller with lateral movement, pivot turn and other 4 sport modes. No mechanical connection is existing between wheels and handwheel, therefore it belongs to Steer-By-Wire system.
The paper deals with the steer technology at the beginning, which is the basis of the stable and effective operation. With the overall goals of AWID/AWIS, we construct the distributed control network, and the implementation of distributed network is given in detail. Also, the capacity of load and reload of network is analysed carefully in the next. To improve direct feeling of road and resistance, we analyse the cause of lateral force and give a formula to evaluate it. From kinematics stability perspective, we study the regularity for Steering Ratio with change of yaw velocity and introduce an ideal steer radio model.
This paper presents software design and hardware design of wheel-controller. Angle velocity, current and position need to be collected realtime, thus digital and analog process circuits are essential in steer-controller. In addition, the driver circuit is also the critical component for motor control. To improve the reliability, redundancy idea is adopted, such as CAN redundancy and interface redundancy.
Operational stability is the important guideline for checking and balancing the platform performance when steering. From the kinematics perspective, we summarize 6 sport modes and study the relevances between steer radius and steer angle for research the operational stability. Further more, turning center is given in a limited area. Besides, we analyse the yaw velocity, lateral acceleration, slip angle as steering and give the domain response and steady-state gain, which lays the foundation for following research of stability control.
Finally, we conclude this paper and give suggestions for future research.
引文
[1]肖峰.汽车线控转向控制器的开发研究.长安大学学位论文,2008,6
[2]费贤松.联合主动转向和横摆力矩控制的汽车操纵稳定性研究.南京航空航天大学[M],2007,05
[3]申荣卫.汽车转向技术现状与发展趋势.邢台职业技术学院学报,2006年5期
[4]王望予.汽车设计.吉林工业大学[M],机械工业出版社,2005,03
[5]王豪等.电动液压助力转向系统仿真.天津大学学报,2008年5期
[6]李华宁等.汽车电子应用中的线控技术.苏州市职业大学学报,2009年3期
[7]宗长富等.汽车线控驱动技术的发展.汽车技术,2006年3期
[8]应艳杰等.汽车助力转向技术的发展.安徽电子信息职业技术学院学报,2006年5期
[9]别辉等.汽车底盘线控技术的应用及发展趋势.专用汽车,2007年3期
[10]刘齐.汽车线控转向技术发展综述.芜湖职业技术学院学报,2009年2期
[11]http://ae.nstl.gov.cn/commChannel/content.asp?contentid=161902
[12]http://www.61ic.com/Technology/car/20090_2/22494.html
[13]曹红兵.SBW——汽车转向技术的未来.汽车维修,2009年5期
[14]王家辉.汽车ESP系统半动态测试台架开发.上海交通大学硕士学位论文,2004
[15]http://club.autohome.com.cn/bbs/thread-c-117-2488743-1.html
[16]http://www.61ic.com/Technology/car/200902/22494.html
[17]董玉.线控转向系统总体方案及控制方法研究.农机使用与维修,2009年1期
[18]周杲尧.高速公路路段车流运行模拟及评价研究.东南大学,2005
[19]建怀.电流传感器ACS712的原理与应用.中国科技信息,2010年5期
[20]http://our.3dgps.com.cn/Production/INS/MINS/
[21]http://baike.baidu.com/view/628443.htm
[22]杨光等.电动汽车电机控制器控制系统一体化设计.变流技术与电力牵引, 2007年2期
[23]http://baike.baidu.com/view/1410721.htm
[24]陈辛波等.双横臂悬架-万向节传动线控独立转向机构.同济大学学报,自然科学版,2007年3期
[25]吴正亮.电动轮—独立悬架结构及其特性研究.同济大学汽车学院,2006
[26]邱绪云,唐绍丰,曹亢子.线控转向系统路感PID控制仿真研究.山东交通学院学报.2008年6月,Vol.16 N0.2
[27]http://www.witech.com.cn/product/OK6410.html
[28]余秀兰.汽车多路传输系统的设想.轻型汽车技术,2001年11期
[29]张毅等.嵌入式Win CE中CAN总线控制器的驱动设计与实现.现代电子技术,2009年6期
[30]http://www.shenkai.com/sk/news_detail_ex.php?newsid=293
[31]段有艳.基于DOS环境下的CAN总线应用.昆明冶金高等专科学校学报,2007年1期
[32]曹晓琳等.汽车CAN总线数字组合仪表设计.汽车工程,2010年1期
[33]王瑞晓等.CAN总线位定时和同步机制的设计与实现.计算机技术与发展,2010年4期
[34]韩迎辉.CAN总线在自动生产线中的应用.机械工程与自动化,2010年3期
[35]夏志煌.城市客车信息集成控制网络性能测试技术的研究与应用.武汉理工大学,2009
[36]迟瑞娟.基于CAN总线的电动汽车网络性能的仿真与分析.中国农业大学,2006
[37]http://www.eeworld.com.cn/gykz/2010/1117/article_3592.html
[38]柳和生等.基于Windows的气辅注射注气的实时控制方案.轻工机械.2005年2期
[39]王小朋.基于多传感器信息融合的煤矿环境探测与危险评估.山东大学学位论文,2008
[40]http://www.embed.com.cn/controller/ctrl.asp?ctrlID=305
[41]http://tech.c114.net/175/a394363.html
[42]吕英杰等.绝缘油耐压测试仪的设计及抗干扰措施.仪表技术与传感器,2002年1期
[43]薛凌燕.新型DCS现场控制单元的开发.山东大学学位论文,2007
[44]萧筝.城市客车信息集成控制系统功能模块的软件组件研究.武汉理工大学,2009
[45]钱坤等.虚拟现场总线测控系统的设计.自动化博览.2007年2期
[46]莫传孟等.基于MB90F543微控制器的双CAN冗余设计.单片机与嵌入式系统应用,2003年11期
[47]蒋卫宏.单片机测控系统抗干扰措施.连云港职业技术学院学报.2003年4期
[48]张刚等.基于DSP控制器的M/T测速方法研究.甘肃科技.2008年14期
[49]基于SoPC的组合导航计算机研究.南京航空航天大学,2006
[50]许英.低压差线性稳压器UC1834及其应用.国外电子元器件,1997年6期
[51]http://www.hihz.net/html/zhishizhongxin/
[52]张海燕.开关电源的保护电路设计.重庆文理学院学报,自然科学版.2007年5期
[53]http://www.elecfans.com/article/88/131/243/2008/2008092312990.html
[54]孙同景,陈桂友Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术[]M].山东大学,2007
[55]彭正宏.一种I’2C总线接口的工业控制用时钟日历存储芯片的设计.华中科技大学,2003
[56]秦军.铁路泥石流多时相遥感技术及动态信息提取.西南交通大学,2005
[57]胡启祥等.基于硬件冗余容错控制的换向阀改进设计.浙江交通职业技术学院学报,2009年3期
[58]秦军.铁路泥石流多时相遥感技术及动态信息提取.西南交通大学,2005
[59]张弘等.高速数据总线介质冗余方案的选择.测控技术,1997年4期
[60]张士钱.单片机系统软件抗干扰措施的分析.龙岩学院学报,2005年6期
[2]费贤松.联合主动转向和横摆力矩控制的汽车操纵稳定性研究.南京航空航天大学[M],2007,05
[3]申荣卫.汽车转向技术现状与发展趋势.邢台职业技术学院学报,2006年5期
[4]王望予.汽车设计.吉林工业大学[M],机械工业出版社,2005,03
[5]王豪等.电动液压助力转向系统仿真.天津大学学报,2008年5期
[6]李华宁等.汽车电子应用中的线控技术.苏州市职业大学学报,2009年3期
[7]宗长富等.汽车线控驱动技术的发展.汽车技术,2006年3期
[8]应艳杰等.汽车助力转向技术的发展.安徽电子信息职业技术学院学报,2006年5期
[9]别辉等.汽车底盘线控技术的应用及发展趋势.专用汽车,2007年3期
[10]刘齐.汽车线控转向技术发展综述.芜湖职业技术学院学报,2009年2期
[11]http://ae.nstl.gov.cn/commChannel/content.asp?contentid=161902
[12]http://www.61ic.com/Technology/car/20090_2/22494.html
[13]曹红兵.SBW——汽车转向技术的未来.汽车维修,2009年5期
[14]王家辉.汽车ESP系统半动态测试台架开发.上海交通大学硕士学位论文,2004
[15]http://club.autohome.com.cn/bbs/thread-c-117-2488743-1.html
[16]http://www.61ic.com/Technology/car/200902/22494.html
[17]董玉.线控转向系统总体方案及控制方法研究.农机使用与维修,2009年1期
[18]周杲尧.高速公路路段车流运行模拟及评价研究.东南大学,2005
[19]建怀.电流传感器ACS712的原理与应用.中国科技信息,2010年5期
[20]http://our.3dgps.com.cn/Production/INS/MINS/
[21]http://baike.baidu.com/view/628443.htm
[22]杨光等.电动汽车电机控制器控制系统一体化设计.变流技术与电力牵引, 2007年2期
[23]http://baike.baidu.com/view/1410721.htm
[24]陈辛波等.双横臂悬架-万向节传动线控独立转向机构.同济大学学报,自然科学版,2007年3期
[25]吴正亮.电动轮—独立悬架结构及其特性研究.同济大学汽车学院,2006
[26]邱绪云,唐绍丰,曹亢子.线控转向系统路感PID控制仿真研究.山东交通学院学报.2008年6月,Vol.16 N0.2
[27]http://www.witech.com.cn/product/OK6410.html
[28]余秀兰.汽车多路传输系统的设想.轻型汽车技术,2001年11期
[29]张毅等.嵌入式Win CE中CAN总线控制器的驱动设计与实现.现代电子技术,2009年6期
[30]http://www.shenkai.com/sk/news_detail_ex.php?newsid=293
[31]段有艳.基于DOS环境下的CAN总线应用.昆明冶金高等专科学校学报,2007年1期
[32]曹晓琳等.汽车CAN总线数字组合仪表设计.汽车工程,2010年1期
[33]王瑞晓等.CAN总线位定时和同步机制的设计与实现.计算机技术与发展,2010年4期
[34]韩迎辉.CAN总线在自动生产线中的应用.机械工程与自动化,2010年3期
[35]夏志煌.城市客车信息集成控制网络性能测试技术的研究与应用.武汉理工大学,2009
[36]迟瑞娟.基于CAN总线的电动汽车网络性能的仿真与分析.中国农业大学,2006
[37]http://www.eeworld.com.cn/gykz/2010/1117/article_3592.html
[38]柳和生等.基于Windows的气辅注射注气的实时控制方案.轻工机械.2005年2期
[39]王小朋.基于多传感器信息融合的煤矿环境探测与危险评估.山东大学学位论文,2008
[40]http://www.embed.com.cn/controller/ctrl.asp?ctrlID=305
[41]http://tech.c114.net/175/a394363.html
[42]吕英杰等.绝缘油耐压测试仪的设计及抗干扰措施.仪表技术与传感器,2002年1期
[43]薛凌燕.新型DCS现场控制单元的开发.山东大学学位论文,2007
[44]萧筝.城市客车信息集成控制系统功能模块的软件组件研究.武汉理工大学,2009
[45]钱坤等.虚拟现场总线测控系统的设计.自动化博览.2007年2期
[46]莫传孟等.基于MB90F543微控制器的双CAN冗余设计.单片机与嵌入式系统应用,2003年11期
[47]蒋卫宏.单片机测控系统抗干扰措施.连云港职业技术学院学报.2003年4期
[48]张刚等.基于DSP控制器的M/T测速方法研究.甘肃科技.2008年14期
[49]基于SoPC的组合导航计算机研究.南京航空航天大学,2006
[50]许英.低压差线性稳压器UC1834及其应用.国外电子元器件,1997年6期
[51]http://www.hihz.net/html/zhishizhongxin/
[52]张海燕.开关电源的保护电路设计.重庆文理学院学报,自然科学版.2007年5期
[53]http://www.elecfans.com/article/88/131/243/2008/2008092312990.html
[54]孙同景,陈桂友Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术[]M].山东大学,2007
[55]彭正宏.一种I’2C总线接口的工业控制用时钟日历存储芯片的设计.华中科技大学,2003
[56]秦军.铁路泥石流多时相遥感技术及动态信息提取.西南交通大学,2005
[57]胡启祥等.基于硬件冗余容错控制的换向阀改进设计.浙江交通职业技术学院学报,2009年3期
[58]秦军.铁路泥石流多时相遥感技术及动态信息提取.西南交通大学,2005
[59]张弘等.高速数据总线介质冗余方案的选择.测控技术,1997年4期
[60]张士钱.单片机系统软件抗干扰措施的分析.龙岩学院学报,2005年6期