（光学工程专业论文）汽车排放耐久性试验用驾驶机器人开发.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 汽车排放耐久性试验用驾驶机器人代替人进行汽车排放耐久性试验时的多工 况驾驶，能减轻人工劳动，而且重复性好，得到了很好应用。本文根据相关资料， 确定了驾驶机器人的功能要求及技术指标。通过对国内外先进技术的消化吸收， 依据驾驶机器人的技术指标，对其机械、控制部分进行了原理设计，并用a d a m s 与s i m u l i n k 进行了机械、控制的联合仿真，并对结构参数进行了优化。对机械 部分及控制部分进行了硬件设计和软件设计。 论文首先根据国家标准轻型汽车污染物排放限值及测量方法及各个轻型 汽车技术特性及参数确定了驾驶机器人的功能及技术指标。其功能及技术指标包 括油门机械腿、离合机械腿、制动机械腿和换档机械手的最大轨迹偏差、最大行 程及最大控制力等。 依据驾驶机器人的功能及技术指标，对离合、油门、制动机械腿及换档机械 手进行了机械部分及控制部分原理设计。为验证其可行性，进行了虚拟实验，在 a d a m s 建立了三维实体模型，在s i m u l i n k 建立了控制模型，再将实体模型导 入控制模型进行虚拟实验。在虚拟实验中，验证了原理设计并对各个结构参数进 行改进。 虚拟实验完成之后，对机械部分及控制部分进行硬件设计，包括零部件三维 设计，零部件三维实体装配，三维零部件转化成工程图，零部件加工。控制部分 硬件设计的内容包括传感器的选择、伺服电机的选择、控制器的设计、p c b 板的 设计、通讯接口设计。 最后进行了软件设计。在s i f i c o n 集成开发环境( d e ) 下，应用c 语言进行了 模数( a d ) 转换程序设计，数模( d a ) 转换程序设计，步进电机控制程序设计， p d 控制程序设计，c a n 通讯程序设计，串行口通讯程序设计。 关键词：汽车排放，驾驶机器人，仿真，c a d ，硬件设计，软件设计 a b s t r a c t v e h i c l er o b o td r i v e ri su s e dt oo p e r a t eav e h i c l ei n s t e a do ft h ed r b ) e rt oc a r r yo n e m i s s i o nd u r a b i l i t yt e s t ，i tc a r lr e d u c et h ed r i v e r 、sb u r d e na n dh a sg o o dr e p e t i t i o n p e r f o r m a n c e t h ep a p e re s t a b l i s h e st h et e c h n i q u ei n d e xa c c o r d i n gt ot h er e l a t e dd a t a s b ya b s o r b i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la d v a n c e dt e c h n i q u e , a c c o r d i n gt ot h er o b o t i n d e x ，t h ep r o t o t y p eo fm a c h i n es t r u c t u r ea n dc o n t r o lp a r t so fs y s t e mw e r ed e s i g n e da n d i n t e r g r a t e da d a m sa n ds i m u l i n ks i m u l i a t i o no fm a c h i n ea n dc o n t r o lw e r ec a 耐e d o u t t h r o u g ht h es i m u l a i o n ，t h ek i n e m a t i c so fs y s t e mw a sv e r i f i e da n ds t r u c t u r e p a r a m e t e rw a so p t i m i z e d a f t e rf i n i s ht h es i m u l a t i o n , t h eh a r d w a r eo fm a c h i n ea n d c o n t r o lp a r t sw a sd e s i g n e di nt u r n ，a n df i n a l l y , t h ec o n t r o ls o f t w a r ew a sd e s i g n e da f t e r d e s i g n i n gt h eh a r d w a r e f i r s t l y , a c c o r d i n gt on a t i o n a ls t a n d a r d ( ( l i m i t sa n dm e a s u r e m e n tm e t h o d sf o r e m i s s i o n sft o ml i g h t _ d u t yv e h i c l e s a n dm a n yr e l a t e d f e c h n i q u ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r so fl i g h t _ d u t yv e h i c l e s ，t h ef u c t i o na n dt e c h n i q u ei n d e xo fr o b o td r i v e rw e r e e s t a b l i s h e dw h i c hi n c l u d em a x i m u mt r a c kd e v i a t i o n ，m a x i m u mt r a v e l d i s t a n c ea n d m a x i m u mc o n t r o lf o r c eo ft h ea c c e l e r a t o rl e g ，b r a k el e g ，a n dc l u t c hl e ga n d g e a rs h i f t a l t n b a s e do nt h er o b o td r i v e rt e c h n i q u ei n d e x ，t h ep r i n c i p l eo fm a c h i n em o v e m e n ta n d c o n t r o lp a r t so fc l u t c h ，a c c e l e r a t o r , b r a k el e g ，a n dc l u t c hl e ga n dg e a rs h i f ta r m h a sb e e n d e s i g n e d v i r t u a lt e s tw a sc a r r i e do u tt ov e r i f yp o s s i b i l i t yo ft 1 1 ed e s i g n t h ew h o l e p r o c e s si n v o l v e st h r e es t e p sa st h et h r e ed i m e n s i o ne n t i t ym o d e ls e t - t e du pb a s eo n m e c h a n i c a lp r i n c i p l ea n da d a m s ，t h ec o n t r o lm o d e lb a s eo nc o n t r o l t h e o r ya n d s m c u l r n k , t h ee n t i t ym o d e li m p o r t e di n t oc o n t r o lm o d e lf o rv i r t u a lt e s ti no r d e rt o v m f y t h ep r i n c i p l ed e s i g na n do p t i m i z es t r u c t u r ep a r a m e t e r s a f t e rt h ev i r t u a lt e s t , t h eh a r d w a r eo fm a c h i n ea n dc o n t r o lp a r t sw a sc o n s t r u c t e d t h ew h o l ep r o c e s so fm a c h i n ed e s i g nw a sa sf o l l o w s ：t h r e ed i m e n s i o ne n t i t ym o d e l d e s i g n ，t h ep a r t sa s s e m b l y , t h et h r e ed i m e n s i o ne n t i t yp a r t sc h a n g ei n t o e n g i n e e r i n g d r a f tf o rp a r t sm a c h i n i n g t h eh a r d w a r ed e s i g no fc o n t r o l p a r t si n v o l v e sc h o i s eo f s e n s o r , c h o i s eo ft h es e r v em o t o r , d e s i g n i n go ft h ec o n t r o l l e r , d e s i g n g i n go ft h ep c b ， d e s i g n i n go fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e a f t e rt h eh a r d w a r eo f c o n t r o l l i n gp a r t ，t h es o t t w a r ew a sd e s i g n e d t h ed e v e l o p i n g e n v i r o n m e n ti si d ew i t hcd e v e l o p i n gl a n g u a g e t h ec o n t e n t so fs o t w a r ed e s i g n 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 i n c l u d et h a ta dp r o g r a m ，d ap r o g r a m ，t h ep r o g r a mc o n t r o l l i n gs e r v em o t o r , t h ep i d c o n t r o lp r o g r a m ，c a n b u sc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n p r o g r a m k e y w o r d s ： v e h i c l ee m i s s i o n ，r o b o td r i v e r , s i m u l a t i o n ，c a d ，h a r d w a r ed e s i g n ， s o f t w a r ed e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：p 孕刚 签字日期：乙。石年明乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重迭太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权 重麽太堂 可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：心吲 签字日期：。16 年ll 月6 日 导师签名：俘叶 签字日期：纱9 肆f 钥1 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 l 绪论 1 1 研究的目的及意义 近年来，中国汽车工业的迅猛发展，使得汽车保有量快速增长，截至2 0 0 5 年 底，我国汽车保有量为3 5 0 0 万量。汽车排放的尾气中所含的各种有害物质对环境 造成了严重的危害。为此，国家颁布并实施了严格的汽车排放标准以限制尾气中 有害物质的含量。 g b l 8 3 5 2 2 0 0 1 轻型汽车污染物排放限值及测量方法中针对污染控制的耐 久性试验_ v 型试验有如下要求：汽车应在底盘测功机或跑道、道路上进行8 0 0 0 0 k m 的耐久性试验；耐久性试验行驶程序表由1 1 个循环组成，每个循环的行驶里 程为6 k m ；在前9 个循环中，车辆在每一个循环过程中，应停车4 次，每一次发 动机怠速1 5 s ；第1 0 个循环，车辆应在8 9 k i n h 等速下运行；第1 1 个循环，车 辆开始从停止点以最大加速度加速到l1 3k i n h ，到该循环里程一半( 3 l ) 时正常 使用制动器，将车速降为零，随之1 5s 的怠速，然后第二次以最大加速度加速。 上述标准要求的试验时间长，循环车速频繁变换，必须不断地进行汽车的加速、 稳速、减速和换挡，而且速度的变化和行驶的路程存在约束关系，如果由汽车试 验人员按照循环要求在野外进行驾驶的话，存在以下几个问题： a 、驾驶员需经过一段时间的培训，才能够在跑道上按照v 型试验要求进行试 验： b 、耐久性循环试验时间长，而且循环车速不断地改变，驾驶人员必须时刻保 持精神的高度紧张，因而无法完成长时间的汽车试验； c 、标准中要求在试验开始( ol m a ) 和每隔1 0 0 0 0 k i n ( 士4 0 0k m ) 或更快的频率，以 固定的间隔直至行驶n 8 0 0 0 0k m ，应依据冷启动后排气污染物排放试验( i 型 试验) 中规定的方法进行排气污染物测试，测试结果应符合标准，在野外测试十 分不方便； d 、在野外试验很难对试验的数据( 车速、路程) 进行有效的采集和保存，无法 对试验进行有效的监控。 由人工在野外试验难以满足试验要求，汽车排放性能的测定通常是由熟练的 试验人员在底盘测功机上按规定的精度驾驶被试车辆跟踪设定的车速一时间曲 线，即循环行驶工况。在试验过程中车速跟踪的准确性和重复性精度依赖于试验 人员的驾驶技巧和反应速度，驾驶行为的变化极大的影响了对排放的测试结果， 尤其是影响对低排放车和超低排放车的排放结果的评定，驾驶机器人的应用除了 提高排放试验的测试精度外，对于降低试验环境( 废气、噪音等) 对试验员的伤 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 害也有极为重要的意义。此外，采用驾驶机器人对于汽车测试认证中v 型试验， 也就是8 万公里的排放耐久性试验，可以缩短试验时间，大幅度减少试验费用， 提高试验效率以及试验结果和准确度，降低试验人员的劳动强度，具有重要价值 0 - 7 1 。 现在国外基本上采用驾驶机器人代替试验人员进行汽车试验；在国内，也正 在采用驾驶机器人进行汽车试验。由于仅有东南大学研制了驾驶机器人，汽车的 自动驾驶机器人多采用进口设备。而进口一套驾驶机器人需要人民币1 2 0 万，而 自主研制成功后，仅需2 0 万人民币，可大大节约成本。因此自动驾驶机器人的研 制不仅具有学术意义，也具有经济价值。 1 2 国内外研究现状综述 自八十年代中期，国外开始研究汽车驾驶机器人，以提高汽车试验精度，特 别是国际间实施排放法规后，加速了此种机器人的研制。目前只有少数几个发达 国家拥有该项技术，主要有德国s t a h l e 、大众、美国f r o u d e c o n s i n e 、英国m i r a 、 日本h o r i b a 、a u t o p i l o t 、n i s s a n m o t o r 公司。由于该机器人需要真实模拟驾驶员的驾 驶操作，在动作上要具有人肌肉的弹性和柔顺性，在操作配合上要具有人的协调 性，在控制上要具有自适应性以适合各种不同汽车动力模型的变化，此外执行机 构必需小巧灵活，适合不同车型驾驶室内无损快速安装，因此在技术上有很大难 度。国外从液压和电动型开始起步( 美国l b e c o 公司、英国m m o 公司、日本 h o r i b o 等) ，但由于动作柔顺性不够，逐步被气电混合型( 油门为电动，其余为 气动) 代替。由于气动执行机构实现轨迹控制和多点准确定位( 如换档) 很困难， 因此，研制能够运动轨迹解耦控制的执行机构以及多点准确定位的气动控制系统 成为各国研究的重点。近年来，由于电机伺服控制技术的发展，国外已开发成功 全电驱动的机器人( 如日本h o r i b o 、a u t o m a x 公司、德国s t a h l e 公司) 。 在国外，其中德国s t ah l e 公司研制的汽车驾驶机器人使用效果较好，下面 将介绍该公司驾驶机器人的结构及原理。它主要由执行机构、控制器、p c 机、以 及与测功机的通讯接口组成。 a 、执行器由机械手和油门、离合，制动踏板执行器组成。机械手有两个自由 度，能够纵向和横向转动。纵向和横向转动分别的驱动力矩源为两个步进电机。 油门、离合、制动踏板执行器由踏板固定器，两个万向节，执行杆，弹簧，钢绳， 滑轮组成，其工作原理为步迸电机转动一拉动钢绳运动一压缩弹簧一执行杆运动 一踏板转动。利用弹簧的目的是使油门、离合、制动踏板执行器工作时具有象人 肌肉一样的柔韧性。 b 、控制器作用为接收各个输入信号( 包括步进电机的转角，发动机转速、车 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 速等) ，并对各个信号进行处理，输出各个控制信号去控制步进电机的转速、转角 等。并与p c 机进行通讯，接受p c 机的控制命令，并将各个信号传递给p c 机。 c 、p c 机提供人机对话界面，接受控制器传来的数据，并可将其可视化。接受 控制命令，并将其传递给控制器。 d 、通讯接口提供p c 机与测功机之间的数据通信。 机器人的工作过程为：安装一示教一学习一工作。安装就是将机器人固定在 坐位上，且执行器分别与油门、离合、制动踏板固定好，机械手套筒套在换档手 柄上。整过安装过程为无损安装示教的目的为让机器人记住离合器，油门，档 位的位置。机器人的学习过程为机器人找出油门位置，发动机转速，车速，之间 的关系以及汽车各动力学参数。工作过程就是机器人按照规定的要求工作。 在国内，对机器人的研究还比较少，主要有由东南大学成功的研制了驾驶机 器人。其结构原理如下： l 、整体方案的设计 最近东南大学研制的驾驶机器人是在1 9 9 5 年东南大学与南京汽车研究所联合 研制成功d n c 2 1 型驾驶机器人的基础上进行升级和开发的，d n c 2 1 型驾驶机器人 主要应用于卡车的性能试验，要用于轿车的耐久性试验，必须对原系统作几个方 面的改进： a 、换挡机构：卡车换挡机构行程比轿车长。同时轿车所需的换挡力的比较小。 b 、方向盘锁紧：卡车为后轮驱动，不存在方向打偏的情况，而轿车为前轮驱动， 在汽车起动中如果转鼓所加的惯性飞轮较大或者试验车辆自身的平衡性能不好， 往往会出现车子跑偏的情况，因此要在方向盘上增加锁紧装置。 c 、监控：当汽车以比较大的加速度运行时，如果转鼓和车轮之间的动摩擦力 无法满足相应的加速度时，汽车车身会前冲或者侧移，因此必须加入跑偏检测装 置；另外，长时间的连续试验，计算机测控系统必需能够检测出汽车的行驶状况， 包括水温、机油压力、汽油量等，以确保试验车在比较良好的车况下进行试验。该 汽车耐久性试验机器人能够完成汽车的起动( 油门和离合器进行配合) 、换挡、制 动以及根据车速或者发动机转速进行车速的控制。除此之外，由于汽车必须在转鼓 上进行连续地长时间的运行，应随时监测汽车车况并能够和转鼓控制程序进行通 信，当出现故障的时候采取紧急措施，报警提醒现场试验人员，并显示故障原。 2 、系统执行机构的设计 参考文献【8 】中已经对利用气动七连杆机构进行换挡的原理有详细的说明，这里 不再赘述。其执行机构工作原理是：步迸电机控制油门以实现油门位置的精确定位， 制动器、离合器和换挡机械手的快速动作使用气缸和相应的气阀实现。现场机器 人控制计算机根据驾驶动作控制电控气阀完成驾驶动作和时序之间的配合。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 、驾驶机器人控制软件的设计 a 软件结构 整个软件采用面向对象的设计方法，将整个驾驶机器人作为一个基类，定义 了其各个机械腿的初始、终点位置，挡位分布以及运动和位置控制函数，如过程 b r a k e - d o w n 、b r a k e - u p 分别表示制动器下压和回收。各种试验车型都是在基类的 基础上派生出实际的对象实例，通过读取对应的配置文件进行汽车特征参数的设 置，如：汽车的主减速比、各挡速比，挡位分布和位置等。同时结合各种车型不 同的动力性能、制动性能等设置机械腿和机械手不同的运动控制参数。控制软件 采用虚拟仪器面板的方式，以直观醒目的方式显示汽车当前运行状态和汽车行驶 曲线。 b 、软件控制算法的设计 因为各种排量的汽车动力性能差别较大，为了缩短试验车型变化所带来的控 制参数、整车参数的调整时间，同时考虑到各个大循环以及循环内部4 个小循环驾 驶运动的相似性，控制算法基本采用交参数p i d 的控制方法，具体体现在： 1 ) 升速：不同的挡位下不同的参数以及升速换挡过程中换挡完成后油门的下 压程度； 2 ) 稳速：不同的循环车速采用不同的油门位置参数； 3 ) 升速稳速：升速完成之后，为了避免出现车速“过冲”，油门回收程度随挡 位不同而不同； 4 ) 内部小循环自学习参数。由前9 个循环内部4 个小循环运动的相似性，自动 根据前面循环的驾驶情况调整相关的控制参数。另外，在稳速的油门控制中采用 模糊控制算法，克服汽车响应延迟导致的稳速控制中的车速振荡问题。除此之外， 运行规范中对行驶路程要求比较高，而不同的车况其升速的过程差别较大，导致 了升速段的路程相差比较大，但是当汽车处于脱挡状态时，恒定制动力作用下的 减速特性基本相同，针对这一特点，在每一个稳速到减速的行驶控制过程中增加 了路程自补偿功能，自动根据当前汽车行驶的情况调整汽车在稳速阶段的行驶时 间。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题研究内容涉及多学科交叉，它融合了机械、电子、控制、汽车、计算 机等学科知识。本课题主要研究内容如下： 1 、依据相关资料，确定驾驶机器人的各项技术指标。 2 、在消化吸收国内外技术的基础上，对驾驶机器人的机械部分和控制部分进 行原理设计。 4 重庆大学硕士学位论文i 绪论 3 、用多体动力学软件a d a m s 和m a t l a b 软件建立机器人机械执行部分与控 制部分的模型，虚拟实现机器人运动的仿真分析，验证原理设计并掌握其运动特 性，对机械执行与控制模型进行优化。 4 、依据机械部分的原理设计，利用三维c a d 软件u g 建立机器人机械手、 油门、离合、制动执行器的三维实体模型，并在u g 中实现各部件的装配。装配 确认无误后，将三维图转化成平面图进行零部件加工。 5 、依据控制部分原理设计，设计出控制部分硬软件方案，并进行控制部分的 硬件及软件开发。 重庆大学硕士学位论文2 汽车排放耐久性试验用驾驶机器人的技术指标 2 汽车排放耐久性试验用驾驶机器人的技术指标 2 1 引言 驾驶机器人是在汽车中用于代替驾驶员进行操作的机器人。它具有工作准确、 耐久性好、重复精度高等特点，可以完成人所难以承受的高重复性、长时间的汽 车性能试验，尤其适合于对比性强的试验，如排放、油耗等驾驶质量要求高、工 况复杂的试验，可以消除人为因素的影响。但要做好驾驶机器人的开发，首先要 根据国家标准轻型汽车污染物排放限值及测量方法及各个轻型汽车技术特性 及参数( 如制动、离合、油门、换档杆的最大行程及所需最大力等) 确定驾驶机 器人的功能及技术指标。 2 2 驾驶机器人的各项功能要求及技术指标 驾驶机器人按功能要求不同可以划分为二部分，执行部分：主要包括油门机械 腿( 操纵油门踏板) 、离合机械腿( 操纵离合踏板) 、制动机械腿( 操纵制动踏板) 、 机械手( 操纵换档杆) 【9 】；控制部分：主要包括操作系统控制、示教自学习、管理 服务。下面将分别阐述这二部分的功能要求及技术指标。 2 2 1 执行部分的功能要求及技术指标 执行部分按执行功能不同分为四部分，分别是油门机械腿、离合机械腿、制 动机械腿、机械手，下面将分别阐述。 l 、油门机械腿的功能要求及技术指标 油门操作的示意图如图2 1 ，标号1 5 为油门踏板【1 0 】。从图可以看出，油门踏 板的结构可简化成图2 2 所示的绕支点摆动的摇杆结构。踏板的位置控制发动机输 出转速和输出力矩。油门操作的目标：应能以车速为控制目标，在给定的时间内 完成从一车速到另一车速的加速、恒速和减速操作。 用油门机械腿来模仿人腿功能操作油门，具体功能要求如下1 ) 在动作上具有 人肌肉的弹性和柔顺性。2 ) 腿的长度可以调节3 ) 腿的位置可以左右调节。4 ) 回收油门踏板和制动踏板能迅速松开( 紧急停车、点刹) 和缓慢松开( 减速、长下 坡) ，当迅速松开踏板时，踏板应不受外力控制自然的上升。5 ) 该机构必须小巧灵 活。6 ) 能够实现在油门踏板上无损安装。 油门机械腿的具体技术指标如下：1 ) 自由度：油门机械腿的最少自由度为1 。 2 ) 输出力：油门机械腿的最大输出力为5 0 n 。3 ) 位置、轨迹：油门机械腿执行 端最大行程为1 0 0 m m ，定位误差不超过i - 0 5 m m ，最小可调行程不超过2 r a m 1 1 】。 6 重庆大学硕士学位论文2 汽车排放耐久性试验用驾驶机器人的技术指标 图2 1 油门踏板操作示意图 f i 9 2 1a c c e l e r a t o r o p e r a t i o n f i g u r e 图2 2 油门踏板结构简图 f i g 2 2a c c e l e r a t o rs t r u c t u r es i m p l ef i g u r e 2 、制动机械腿的功能要求及技术指标 制动踏板同油门踏板相似，可简化成摇杆绕支点的摆动。其转动角晚可在 口6 d k 。行程内任意点停止，如越大，制动效果越强。制动操作目标：应能以车 速为控制目标，在给定的时间内完成从一车速到另一车速的减速操作。 制动机械腿也是模仿人腿功能操作制动，具体功能要求与油门机械腿相似。 制动机械腿的具体技术指标如下：1 ) 自由度：油门机械腿的最少2 ) 输出力： 制动机械腿的最大输出力为4 0 0 n 。3 ) 位置、轨迹：制动机械腿执行端最大行程 为2 4 0 r a m ，定位误差不超过士3 m m 。 3 、离合机械腿的功能要求及技术指标 离合踏板同油门踏板相似，可简化成摇杆绕支点的摆动。离合器连接发动机 和变速箱，传递转矩。离合器踏板位置决定了所传递扭矩的大小。离合器操作目 标：实现快速分离和平稳接合，在汽车起步时实现离合器的实际接合过渡状态。 其具体操作要求如下： 如：踏板初始零位，离合器完全结合，传递全部扭矩。 晚j ：完全结合位。日臼：初始结合位。 以。：完全脱离位，离合器主、从动盘分离，不传递扭矩。 当以 岛，只翻时，离合器处于半联动状态，主、从动盘之间、靠摩擦运动传 递扭矩。 当以【日砷，以力时，离合器处于联动状态，对汽车驾驶机器人来说是空行程。 当以【，如】时，离合器处于完全脱离状态，对汽车驾驶机器人来说是空行 程。 速度：离合器踏板速度变化要求见图2 3 所示。 由图可知，v c l v c 2 ，离合器踏板必须快速踩下，缓慢抬起经过结合区，以保 7 重庆大学硕士学位论文2 汽车排放耐久性试验用驾驶机器人的技术指标 证动力传递平稳。 v c 2 v c 2 v c l v c l 图2 3 离合器踏板速度变化示意图 f i g2 3c l u t c hp e d a lf i g u r eo f c h a n g i n gs p d 4 、机械手的功能要求及技术指标 变速箱的作用是改变主动、从动轴的传动比，达到改变扭矩、车速、汽车进 退方向等目的。变速箱的档位变化由变速杆在“王”字形导槽中运动实现。如图2 4 所示。变速器换档操作：通过示教可适用于不同变速器类型，根据指令自动选择 档位并平稳换档。其具体操作要求如下： 图2 4 变速杆示意图 f i g2 4g e a rs h i f tf i g u r e 矽 m 弘 口 “ 以 以 重庆大学硕士学位论文2 汽车排放耐久性试验用驾驶机器人的技术指标 a 挂、摘档轨迹所在平面和y o z 夹角； 卜变速杆所在直线与平面z o x 夹角； g ( i j ) 各档位置，其中g ( o ，o ) 为空档，g ( i j ) ，g ( 2 j ) 为可能的档 位i g ( o , d o ( o ，o ) g ( o 2 ) l 为选档轨迹( i j = o ，1 ，2 ) ； p ( i j ) 换档驱动力作用点，对应于g ( i j ) ，一般p 点靠近变速杆顶端。g ( 珀) 或p ( 巧) 由a 、p 确定，有： g ( i j ) - - ：t o ( q ，b ) ( 2 1 ) g x 以g f p ( 2 2 ) 根据变速杆的运动轨迹，可确定换档机械手操作技术要求指标为： 位置要求指标： a 、设g 。、g v 分别为选档，挂、摘档轨迹允许的偏差a g 。，x o y _ a g = i 2 m m 。相应a p ；、a p ，s p = 4 6 m m ，国产车g ，a p 比进口车大。 b 、不同的车型，g ( i j ) 表示的档位不同；同一型号，g o j ) 相应的g ；，g ，也不同， 需要实际测量得到。 c 、换档机械手运动范围，通常i p 0 2 ) p ( 2 j ) l 、b ( o d p ( o 2 ) l 2 0 0 r a m 即变速杆p 点的运动范围( 称换档区域) 为l g x l g = 2 0 0 m m 2 0 0 m m 。 速度要求指标： 设v h v p y 分别表示挂摘档和选档时p 点的速度。 v p x 1 0 0 0 m m s e e v p x v p y 5 0 0 m m s e c 力的要求指标： 设工为选档力，五为挂摘档的换档力，则五菇 2 0 0 2 0 0 m m ，因此换档机械手满足运动范围的设计要求。 重庆大学硕士学位论文3 驾驶机器人执行机构的设计及仿真分析 圈3 1 7 纵向转动仿真结果图 f i g3 1 7l o n g i t u d i n a lm o t i o ns i m u l a t i o mr e s u l tf i g u r e 图3 1 8 横向转动仿真结果图 f i g3 1 8l a t e r a lm o t i o ns i m u l a f i o mr e s u l tf i g u r e b 、选档、挂档、摘档轨迹偏差 从图3 1 9 可以看出，选档、挂档、摘档轨迹基本上和预定轨迹完全重合，小 于规定的轨迹偏差，即g y a c p - i 2 m m ，达到规定的轨迹偏差设计要求。 ( 4 ) 换档机械手的三维、二维设计 换档机械手在a d a m s s i m u l i n k 建立的虚拟实验场完成虚拟实验之后，便 可进行c a d 设计，其方法是用三维软件按照a d a m s 建立的机械模型的结构原理 进行零部件设计，设计完零部件之后，便右进行三维装配，当确认三维装配无误 后，便可将三维实体模型转换成二维工程图，再进行零部件加工。本文是采用的 u g 软件进行三维、二维设计 2 t - e g ，其c a d 设计流程图如图3 2 0 ，下面将对c a d 流程图进行阐述： 重庆大学硕士学位论文3 驾驶机器人执行机构的设计及仿真分析 图3 1 9 换档机械手运动仿真结果图 f i g3 1 9g e a rs h i t tm e c h a n i c a la r mm o t i o ns i m u l a t i o nr e s u l tf i g u r e 图3 2 0 c a d 设计流程图 f i g3 2 0c a dd e s i g nf l o wf i g u r e 图3 2 l 换档机械手装配流程图 f i g3 2 1a s s e m b l ef l o wf i g u r eo f g e a rs h i f m e c h a n i c a la l t n a 、零部件参数化建模 根据上节虚拟实验所得到换档机械手结构原理及参数确定零部件的几何参数 进行参数化建模。参数化建模就是为了进一步编辑一个参数化模型，将用于模型 定义的参数值随模型存储，参数可以彼此引用，以建立模型各个特征间的关系。 b 、零部件的装配建模 装配是将产品零部件进行组织、定位的一个过程。通过装配，形成产品的总体 结构、绘制装配图、检查零件之间是否发生干涉。在计算机上进行装配，可以及 早发现零件配合之间存在的问题，提供一个产品的整体模型。本文采用虚拟装配， 所谓虚拟装配是指通过零件之间的引用和链接关系，形成装配模型。虚拟装配采 用了许多先进技术：将零部件放在不同的文件中以减少装配存储量；以主模型为 基础保持几何相关性和零部件的自动刷新；采用引用集自由化显示模型信息；参 数化约束零部件之间的定位关系：建立装配结构树便于装配的各种操作。 本课题根据装配的实际情况，采用自底向上的装配方法，从底层逐步向上装配， 首先设计好各个子装配零部件，将这些零部件进行子装配，再将子装配构件进行 总装配，装配流程图如图3 2 1 。经过装配得到换档机械手总装配三维模型图( 如 图3 2 2 ) 。 重庆大学硕士学位论文3 驾驶机器人执行机构的设计及仿真分析 图3 2 2 换档机械手总装三维模型图 f i g3 2 2a s s e m b l ef i g u r eo f g e a rs h i f tm e c h a n i c a la r m c 、三维转化成平面图 u g 的绘图软件功能强大，它具有如下特点： 图3 2 3 拨叉平面工程图 f i g3 2 3s h i f t i n gy o k ep l a n es c h e d u l ed r a w i n g a 、相关性：制图模型和设计模型相关，当设计模型修改后，系统会自动刷新 制图模型；剖视图与实体模型相关，当设计模型修改后，剖视图能够保证与模型 的一致性。 b 、隐藏线的控制：可以控制隐藏线的可见性( 不可见、虚线可见、实线可见) 。 c 、制图对象的创建和修改统一在同一个界面上( 生成制图对象和修改制图对 重庆大学硕士学位论文3 驾驶机器人执行机构的设计及仿真分析 象不需要改变用户界面) d 、剖视方法种类多，右可得到多种视图。 e 、操作与预设置是在可视化界面下，例如定义尺寸线的样式、位置等，面向 图形设定，一目了然。 各个零部件经过装配，确认无误后，便可进行工程制图，u g 工程制图的内容 包括：图纸确定、视图、各种符号标注( 中心线、粗糙度) 、尺寸标注、公差标注、 文字说明等。图3 2 3 是通过三维模型转化成的拨叉平面工程图。转化成工程图之 后，便可以进行零部件加工【3 羽。 3 + 3 3 离合机械腿设计及分析仿真 1 、离合机械腿的设计 离合机械腿的设计与油门机械腿设计类似，但离合与油门机械腿的功能要求和 技术指标有所不同，所以设计上有一定的差别。在消化吸收了国内外技术基础上， 设计出离合机械腿，其结构原理如图3 2 4 。 现对图中的各个部件及其工作原理进行阐述，其工作原理与油门机械腿类似。 这里只讲述它们工作原理不同之处。油门机械腿是用拉绳拉力压缩弹簧实现下压 油门踏板，弹簧伸张实现回收油门踏板；相反，离合机械腿用拉绳拉力压缩弹簧 实现松离合踏板，弹簧伸张实现下压离合踏板。采用这样的工作原理其目的是能 更好的控制下压、回收离合时的速度变化。 2 、离合机械腿的分析仿真 图3 2 4 离合机械腿示意图 f i g3 2 4c l u t c hm e c h a n i c a ll e gf i g u r e 3 0 重庆大学硕士学位论文3 驾驶机器人执行机构的设计及仿真分析 图3 2 5 离合机械腿仿真结果图 f i g3 2 5t h es i m u l a t i o nr e s u l tf i g u r eo f c l u t c hm e c h a n i c a ll e g 由上文可知，对离合机械腿的分析仿真采用a d a m s 与s i m u l i n k 联合仿真 的方法实现。联合仿真分三步进行r ( 1 ) 机械模型的建立；( 2 ) 控制模型的建立； ( 3 ) 联合分析仿真。 ( 1 ) 机械模型的建立 机械模型的建立方法与与油门类似，这里不再详述。 ( 2 ) 控制模型的建立 控制模型就是要实现离合踏板按照图2 3 所示的速度变化，即快速踩下离合踏 板，快速回到初始结合位，缓慢抬起经过结合区，快速通过完全结合区。其控制 方法采用开环控制，在各个时间阶段设定不同的离合运动速度。在$ i m u l i n k 中 建模方法与前面似。 ( 3 ) a d a m s 与s i m u l i n k 的联合分析仿真实验： 在a d a m s 与s i m u l i n k 中建好分别建好了机械、控制部分模型，现在便 可以将a d a m s 中的机械模型导进s i m u l i n k 中进行联合仿真试验，其联合仿真 方法与前类似。其仿真结果见图3 2 5 。从图中看出，其速度变化曲线符合图2 3 所 给出的要求。 3 4 本章小结 本章首先分别对油门、离合、制动机械腿及换档机械手进行了原理设计，然 后用多体动力学软件a d a m s 分别建立了它们的三维实体动力学模型，将实体模 重庆大学硕士学位论文 3 驾驶机器人执行机构的设计及仿真分析 型导入控制仿真软件s i m u l i n ：k 进行联合仿真虚拟实验。利用虚拟实验，验证了 原理设计并且优化了结构参数。完成虚拟实验之后，对机械部分进行了零部件设 计及装配，装配之后，将零部件三维模型转化成工程图以方便加工 重庆大学硕士学位论文4 驾驶机器人控制系统硬件设计 4 驾驶机器人控制系统硬件设计 4 1 引言 上章建立虚拟实验场，对驾驶机器人进行了仿真实验并进行了机械部分的设 计。本章将依据仿真实验中建立的控制模型设计出控制系统。其具体内容包括： 驾驶机器人控制系统的总体结构设计，系统硬件设计( 传感器的选择，控制器的 设计，p c b 板的设计，通讯接口设计) 。 4 2 驾驶机器人控制系统结构 图4 1 驾驶机器人及测功机控制系统原理图 f i g4 1t h ec o n t r o ls y s t c mf i g u r eo f r o b o t d r i v e ra n dc h a s s i sd y n a m o m e t e r 由于驾驶机器人控制控制系统与测功机控制系统结构紧密，因此介绍驾驶机 器人控制系统的同时也包含有测功机控制系统。汽车驾驶机器人采用单片机 ( e c u ) 控制，性能稳定，抗替干扰能力强，实时性强，响应快。通过c a n b u s 与p c 通讯，具有良好的人机见面，功能强大，控制系统原理图如图4 1 所示。其 重庆大学硕士学位论文4 驾驶机器人控制系统硬件设计 控制原理是：试验车辆的发动机点火脉冲信号和电动机的转矩、转速信号反馈回 e c u 2 转化成能够在c a n b u 上通讯的信号并与e c u l ( 测功机控制器) 进行通讯， 它根据反馈回来的信号分别控制两个变频器去控制冷确风机和电动机。e c u 3 为机 器人控制器，它通过e c u l 反馈回来的汽车速度、汽车行驶矩离以及机器人各个 执行器位置和力去控制伺服电机以控制驾驶机器人( 图4 2 ) 。 图4 2 驾驶机器人控制系统原理图 f i g4 2t h ec o n t r o ls y s t e mf i g u r eo f r o b o td r i v e r 4 3 驾驶机器人的硬件控制系统 通过控制系统的原理图，便可以确定控制系统的硬件组成，并进行设计，主 要工作包括传感器的选择、控制器的设计、c a a 7 b u s 与p c 机通讯接口设计、执 行器的选择、印刷电路板的设计，下边将分别对其阐述。 4 3 1 位移传感器 在对驾驶机器人进行控制和操纵过程中，需要对机械手或机械腿的位置不断 进行测试，从而与设定值之间进行比较，再根据比较的结果来进行控制。因此对 机械手和机械腿的位置测量具有重要意义，是控制系统的重要环节。 位移测量可分为角位移测量和线性位移测量，考虑到安装和测量的方便性， 驾驶机器人中采用了角位移测量。对于角位移的测量，可以通过编码器和角位移 测量传感器来测量，考虑到编码器会过多的占用单片机系统资源，并且存在积累 误差和可靠性差等问题，决定采用角位移测量传感受器。角位移测量传感器有多 种，例如：电容式( 变面积型) ，差动变压器式，涡流式，圆感应同步器式等待。 根据这些传感器的测量范围、精度、使用场合、工作环境以及价格，决定选用电 位器作为测量装置。采用圆形电位器的优点是：测量范围大、价格低、性能稳定、 重庆大学