基于ADAMS和MATLAB自行车机器人联合仿真运动

1、编号： 毕业设计(论文)说明书题 目： 基于ADAMS和MATLAB自行车 机器人圆周运动仿真研究 学院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 职 称： 副教授 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计工程技术研究 2014年5月28日摘 要自行车是我们日常很常见的交通工具，自行车机器人是在自行车的基础上，加上自动控制系统来达到不需要人为控制的自行车，简单的说它就是把自行车和机器人结合起来的一种机器。在驱动设备的驱动下，它可以通过它的控制器进行控制自主完成运动。我们都知道，自行车主要通过它的车轮子和地面间的摩擦力来运动，地

2、面与车轮的接触跟点接触差不多，所以他的的平衡动力学模型是相当的复杂的。因为机械系统的物理样机和动力学模型建立起来太过麻烦，而且成本很高。所以在文中我们要用到虚拟样机，虚拟样机技术的好处在于不用建立物理样机，只需要用三维建模软件建立好几何模型，再给模型加上合理的约束、驱动力矩、质量属性等必要因素，这样就能简单便捷地到了我们想要的模型，大大减少了我们的工作量，使得研究起来更简单。另外，结合Matlab软件进行联合仿真，这样一来，整个联合仿真过程就显得更加的简单了。得助于这些软件，这次的研究联合仿真运动控制的成本和时间都节约了很多。 本文主要研究自行车机器人基于虚拟样机的圆周运动的平衡控制。具体步骤

3、如下；首先用所学软件建立它的几何模型。文中本人使用的是PRO/E建立自行车机器人的三维模型。然后装配好的自行车机器人模型保存为T_X文件以方便它导入到ADAMS2012，紧接着在动力学软件ADAMS2012中加上必要的属性从而得到带着动力学模型的机械模型。再然后把课本学到是控制工程的思想拿出来运用，并且结合数学软件Matlab的Simulink模块进行联合仿真，实现了自行车的圆周运动任务。关键词：PRO/E；Simulink；ADAMS ; PID控制；圆周运动；自行车机器人AbstractBicycle is our daily common means of transportation,

4、The bicycle robots on the basis of the bike and combineding with automatic control system to achieve not need manual controling.Simply say it is a machine combines with the bicycle and robot.By the driving of the driving device, it can be done by the controller to control the independent movement.As

5、 we all know, bicycle mainly move by the friction which between the ground and its wheels.The contact of the ground and wheels is similar to point contact.So the balance of his dynamic model is quite complicated.Since the mechanical system dynamic model of physical prototype and built up too much tr

6、ouble And the cost is very high.So in this paper we use virtual prototype,The advantages of virtual prototyping technology is not set up the physical prototype,it Only need to create a geometric model with three dimensional modeling software.Then added to the model of reasonable constraint, driving

7、moment, necessary factors such as quality attributes.So you can simple and easy to have the model waht we want , greatly reducing the workload of us,It is more easy to make research.In addition, because of the combined simulation of Matlab software ,so the simulation process is more simple.To aid in

8、 the software, this study combined simulation movement control cost and time saving a lot.This paper mainly studies bicycle robot based on virtual prototype of the balance of the circular motion control,Specific steps are as follows,First of all use the software we have learn to establish its geomet

9、ric model.In this paper, I use PRO/E set up bicycle 3 d model of the robot.Then bicycle assembly robot model is saved as a T_X documents for import it into ADAMS2012.Then add the necessary property in the dynamics software ADAMS2012 with a mechanical model of dynamic model is obtained.Then take out

10、your the thinking of the control engineering you have learn to application.And combined with the mathematical software Matlab Simulink module for combined simulation, realize the circular motion of bicycle task. Keywords:PRO/E ;Simulink ; ADAMS; PID control; circling motion;bicycle robot目 录摘 要1Abstr

11、act2目 录3引言41 绪论51.1 自行车机器人概述51.2 三维软件PRO/E软件的简介81.3 虚拟样机技术概况91.4 动力学软件ADAMS简介101.5 控制工程中的PID控制概述101.6 数学软件Matlab/Simulink简介111.7 课题背景及设计任务122 自行车机器人的建模132.1 运用三维软件PRO/E对自行车机器人进行几何实体建模132.2 运用动力学软件ADAMS对自行车机器人进行虚拟样机建模203 ADAMS和MATLAB联合起来对自行车机器人仿真243.1 自行车机器人动态平衡原理243.2 控制策略及控制器的设计243.3 联合仿真调整PID参数274

12、 自行车机器人回转运动特性分析304.1 无干扰力下自行车机器人的圆周运动特性304.2 有干扰力的自行车机器人的圆周运动特性335 结论35谢 辞36参考文献37引言自行车机器人是人们提出来的一种比较新型的智能交通工具或者说是运输工具，它运用了机器人的智能，还有自行车的简单，将这两者巧妙结合，在机器人研究领域是一种新的概念。自行车是相当灵活的，整体车体小巧玲珑、能小半径的回转运动、也可以小半径圆周运动。结构也及其简单，拆装、携带都很方便。因此可以在很大范围内运用，主要可用于复杂环境灾难救援和森林作业等特殊任务中，它本身是一个欠驱动的非完整系统,同时还具有一定的侧向不稳定性和对称性,所以还需要

13、投入大量人力和资源对其进行深入研究和开发,使得它只有一定的科学和实际价值。毕竟它的价值 不可估量的，自行车机器人主要承担的是运输任务，因此要提高其承载能力。灾区、森林作业区等这些特殊场合的路面环境极为复杂、恶劣，因此在这些环境中工作的自行车机器人只有具有一定的环境判断能力、自主决策能力、高度的运动敏捷性、适应复杂的路面状况才能完成运输任务。目前联合仿真技术是非常热门的，因为这门技术真的是给学术研究带来了很多的方便，使得本身很复杂的研究变得简单无比，它是CAE行业发展的主体趋势。它不仅能带来方便，而且能把各学科的复杂交互作用能巧妙联系起来并准确表达。完全保证了和实体模拟的物理现象保持高度一致。这

14、么技术自从产生以来就一直备受亲昧，联合仿真技术是一门非常好用而且也使用起来也简单的技术。它的出现，对于比较复杂的动力学模型的机械系统研究简直就是福音。传统的难题在这里一一得到了解决，再也不用走先建立物理样机和动力模型，然后还要用各种控制理论对他的模型进行分析研究的老套路。建立动力学模型和动力学系统实在是太麻烦了，要准确建立那就更加是难上加难了。遇到非线性的系统，要先线性化处理，这是一件很低效率的事情。制作物理样机还要花钱买材料，做错了还要重新买。然而联合仿真技术就不用这样，只需运用相关的三维建模软件，然后导入动力学软件中，就可以得到你想要的虚拟样机。简单便捷高效率，所以本文要研究讨论采用ADA

15、MS和Matlab软件对自行车机器人的圆周运动进行联合控制仿真。1 绪论本章的主要内容就是对自行车机器人的研究现状和运用虚拟样机技术对其进行研究所用到的相关软件进行简要的阐，并在最后交代了课题背景和设计任务。1.1 自行车机器人概述自行车是我们日常生活中很常见的交通工具，它在我国还是相当重要的交通工具的，尤其是目前我国的油价飞快上涨，城市交通拥堵，还有就是人们提倡低碳环保的生活。所以自行车越来越受人欢迎。它结构简单、零部件很少，有多种尺寸大小的款式，并且很容易驾驶，所以是老少皆宜的一款代步工具。由于它本身的车身小，能做小半径的圆周运动，即方向可以灵活控制。因此它可以在狭小的小道上行驶，这是机动

16、车无法做到的，而且还低碳环保、还能得到锻炼。关键是它的价格还很低廉。机器人是能够自动执行一定的动作的机器装置，它可以实时接收人们的命令完成相应的工作，也可以在事先编好的程序下，按程序一步步自动完成规定好的动作，它还可以根据人工智能技术根据外界条件而做出自己应该做的运动。机器人主要是用在帮助或者直接取代人们完成一些简单的工作。目前主要运用于生产业、建筑业，或是危险的工作。自行车机器人就是把自行车和机器人的优点结合起来。从而得到了一种低故障率、少关节驱动、能高效利用能源、有长久续航能力机器设备。作为一种造价并不高的交通工具，自行车机器人还可以运用于马戏团表演，野外探险骑行等方面，所以说对它的研究有

17、很大的应用价值。在外表看似很简单、运动也很普通的自行车，其实真正要研究其动力学，那还是相当的复杂的。自行车前后并排着两个轮子，这两个车轮不敢是在横向还是纵向受到的都是不完整的约束；其次，车架的左右倾角在没有直接的驱动激励的情况下，是动态可稳定静态不稳定的，属于欠驱动的系统；再次，自行车机器人的平衡和车架的倾角有关，在做转向运动的时候，其将会受到离心力的作用，速度越大受到的离心力就越大，故其是一个非线性的系统。综上所述，自行车本身是一个欠驱动的非完整非线性系统,同时还具有一定的侧向不稳定性和对称性。所以，要做到正确地描述自行车的的动力学模型是非常不容易的，但是，在对自行车的控制的时候，由于控制工

18、程理论的引入，巧妙避开复杂的动力学建模继而得到理想的控制效果，这样就能完成各种运动控制。在自行车上加上调速、检测装置等机器人的要素所形成的自行车机器人，就是一个很好的代表。在又驱动装置以及驱动方式的前提下，无人驾驶的自行车机器人才能行驶。自行车及其人有两种驱动方式，可以选择前轮驱动，也可以选择后轮驱动。但是假如选择了后轮驱动的话，那么整车的重心将会往后移，从而导致转弯能力大大降低，特别是大角度的转弯，如需要做90的大角度转弯的回转运动，在后轮驱动的情况下肯定是无法实现的。前轮驱动可以避免这类问题的发生，但是它也是有自身的缺点的，因为前轮驱动会导致转弯的时候离心力很大和转动惯量大从而导致转弯灵敏

19、度降低，所以说凡是都有两面性，就看你自己需要了，本课题研究讨论的是自行车机器人的圆周运动，所以选择两种驱动方式都是可以的，假如选择的是后轮驱动，那么圆周转动半径不宜太大。其次，驱动装置也有两种可供选择，既可以选择电动机也可以选择内燃机。我们都知道电动机体积比较小巧、绿色环保，而且在低转速下也不像人燃机那样可能会熄火，控制起来更方便，所以自行车机器人这更适合使用电动机驱动。自行车机器人很早以前就被人提出来了，在过去的一个多世纪里，在机器人学术界，国内外有很多这方面的专家就稳定平衡运动控制策略、以及它的机构设计、动力学建模等问题展开了深入研究，并且是取得了不错的成果。2005年，日本知名公司株式会

20、社村田制作所研制出一款名为村田顽童(muRata Boy)的自行车机器人，它是村田制作所(MuRata)自主开发的世界唯一的自行车型机器人，它的骑车技能甚至超过了人类。例如：骑在与车轮同样大小宽度的平衡木坡道上，能够在即使停止的情况下不会倒下。村田顽童(muRata Boy)集合了村田制作所(muRata)的尖端电子技术，并将村田制作所(muRata)的产品和先进控制技术应用于机器人上，包括有应用于姿势控制的陀螺仪、传送接收命令的蓝牙模组、眼部摄影机所使用的透光性陶瓷镜头、超薄型压电扬声器、蓄电池装置、电源模组等，并装置了电子回路用的电容器、EMI静噪滤波器等众多的通用电子元件。是什么技术让村

21、田顽童(muRata Boy)能做到这些连大人都做不到的事情呢？就让我们来看看村田顽童(muRata Boy)的小秘密：原来在他身上安装了村田制作所(muRata)开发的可保证在停止时不摔倒的陀螺仪、能发现并回避障碍物的超声波感应器和感知路面高低差的振动感应器。村田顽童自行车机器人如图1-1所示。 1-1村田顽童自行车机器人我国国防科技大学的王路斌等人在2007年在自行车机器人研究方面取得重大突破，他们根据各种理想化的假设条件，建立了一种无人驾驶自行车的简单倒立摆模型和复杂多体力学模型，并且还分析了前叉非最小相位的操纵特性和车速对车体稳定性的影响。王路斌团队还制造了一台如图1-2所示的的自行车

22、机器人的物理样机以用来对模型进行控制实验验证，在接下来的实验中他还建立了系统的模糊T-S模型。对其自行车系统使用了局部线性化方法来设计一个模糊控制器。在自行车及其人的研究的过程中，王想出了一个在自行车速度发生改变时还能不倒下的控制策略，并且将这个策略实际运用于他所搭建好的样机中，而且还取得了不错的的平衡稳定控制效果。王这种直接使用真正的自行车机器人样机实验，这在当时我国国内是很罕见的，可谓国内第一人。上海交通大学刘延柱教授提出过单纯依靠车把转动和车轮驱动速度就可以实现自行车稳定平衡的理论，2007年，北邮郭磊等人根据刘的理论，利用了微分几何方法为其研究的自行车机器人设计了状态反馈控制器。他们通

23、过给后轮一个恒定的转速，然后控制车把的转向使得自行车机器人能够短时间平衡稳定。图1-3就是郭磊等人搭建出来的自行车。图1-2王路斌等研制的无人驾驶自行车样机图1-3 郭磊等设计的自行车机器人样机 1.2 三维软件PRO/E软件的简介PRO/E的全称是PRO/ENGINEER，它是1988年由美国的一家PTC（参数技术）公司开发的一款很实用的三维建模软件。1985年，PTC公司成立于美国波士顿，那时开始对建模软件研究，第一版PRO/ENGINEER诞生于1988年。目前Pro/E最高版本为Creo Parametric 2.0，但是在中国应有最广泛的还是PRO/ENGINEER Wildfire

24、 5.0(野火5.0)，因为到野火5.0这个版本功能已经非常完善，版本也稳定。野火5.0虽然是比较新的版本但是还是有少部分公司企业在使用比较低级的版本，比如WildFire3.0和WildFire4.0等版本。主要还是因为PRO/ENGINEER这系列软件都是向下可以版本兼容，但是向上版本是不兼容的。所以一些公司为了能打开原先版本保存的软件，不得不使用老版本软件。虽然PTC公司也意识到了这个问题同时也做出了努力，为了能让新版本能普及，他们推出了相关的插件，但是去不尽人意，因为在使用插件的情况下，虽然有能打开，但是有时候不兼容，很不稳定。在这么多年进过不断地改进发展和完善后，目前已经成为了最普及

25、的CAD/CAM/CAE软件之一。PRO/ENGINEER在家电、汽车、机械、玩具、航空航天、电子、模具、工业设计、等行业已经得到了很广泛的应用，是一个定位非常广的三维产品设计开发软件。它能完成模具开发、零件设计、逆向工程、自动检测、产品装配、NC加工、铸造件设计、机构模拟、压力分析、产品数据管理等各项任务。如今三维软件在设计过程中应用很广泛，大家都喜欢用这类软件，PRO/E更是深入人心。合理地运用这类软件能够，很多繁琐复杂的工作就变得轻而易举。在没有这类软件的时候，工程师在设计的时候都是靠自己的大脑想象出来三维实体，这是非常耗脑力的，而且不直观还很容易遗忘，然后才运用工程图学中学的知识用二维

26、图形把三维图形表达出来。这类图学不仅在制图时麻烦，在过后看图的时也是很麻烦的，都要耗时费力。直到PRO/E等软件出现后，三维实体的建立和查看都变得形象和直观。PRO/ENGINEER是一个软件包，它由很多个模块组成，通过各个相关来实现他的功能，其中的机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，我们可以通过其里面的各种功能如拉伸、倒角、旋转、扫描、对称等来绘制各种各样的复杂零件的三维实体图。即使是不规则的曲面也是可以通过拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等功能模块来实现的。所以说PRO/E是一款功能非常强大的三维建模软件。 PRO/ENGINEER软件包的产品开发环境在支持并行工作，它通过一系列完

27、全相关的模块表述产品的外形、装配及其他功能。PRO/E能够让多个部门同时致力于单一的产品模型。包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等。其中PRO/E 5.0增加了行为建模技术使其成为把梦想变为现实的杰出工具。通过拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等功能模块来实现的。所以说PRO/E是一款功能非常强大的三维建模软件。1.3 虚拟样机技术概况虚拟样机技术是一种新被提出来的崭新的计算机辅助产品开发技术，它的技术层面和所涉及的领域是非常广的。国内对这门技术的研究还处于初始阶段，主要还是对虚拟样机技术的结构和概念进行研究。相比之下，国外对这么技术就研究比较透切。主要是将这门技术运用于机械

28、设计制造领域，主要用虚拟样机技术进行仿真运动研究。这门技术融合了计算机设计、制造和仿真技术。在三维建软件中建好模型后，通过这门技术可仿真真实环境下运动和动力学的结构系统的特性，并且根据仿真分析得到的数据进而改良产品的结构设计，这是一直全新的产品设计理念。虚拟样机技术可以免去建立物理模型的麻烦，还可以利用互联网把两地的人连接起来对虚拟样机共同研究，可缩短产品设计周期。因为可以随时反复修改样机，可以尽早发现并修改问题，所以具有很大的灵活性。传统的产品开发是一个很漫长的过程，具体过程如图13所示，这个过程步骤繁多，还是一个大循环的过程，这样的过程是不能满足现在这个什么都讲究效率的时代的，这完全不能得

29、到高质量的产品，关键是还要浪费很多的时间与金钱。可是自从有了虚拟样机这门技术，在研究阶段可以先建立虚拟样机，通过对样机的测试与修改，找出和发现样机存在的问题，这样做就能缩短产品开发周期，其过程如图1-4所示，这样不仅节省时间和成本，还可以大大地提高产品质量。图13 传统的产品开发过程图1-4 产品开发周期虚拟样机技术有时候也需要和其他相关技术相结合才能发挥它最大的用处，就好比在进行机械系统运动学和动力学分析时，就需要这么做。这样能够完全发挥这类分析软件的优势，机械系统计算机辅助工程(MCAE)软件是很有用的，所以虚拟样机软件还是很希望这类软件的。图1-5给出了虚拟样机技术的相关技术：图1-5

30、虚拟样机及其相关技术1.4 动力学软件ADAMS简介ADAMS全称是Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System，这是一款机械系统动力学仿真分析软件，由美国MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司开发。通过用其软件中力库和约束库、零件库、交互式图形环境，可以搭建一个全参数化的机械系统几何模型，拉格朗日方程方法是它的求解器所运用的理论。对虚拟机械系统进行运动学、静力学、以及动力学分析，建立系统的动力学方程，输出加速度、反作用力曲线、位移和速度。ADAMS 软件运用的领域很广，可用于运动范围、预测机械系统的性能、峰值载荷、碰撞

31、检测等等，还可以运用于计算有限元的输入载荷等。ADAMS软件中有很多个模块，所以在装这个软件的时候，要根据自己要用的模块选择性安装，不需要全部装完所以的模块，一来浪费时间，而来浪费内存，还弄得整个电脑桌面都是图标，所以要注意这个问题。本课题研究只要用到它的一个核心模块ADAMS/View和ADAMS/Controls（控制模块）。所以安装的时候只需安装这两个模块即可。ADAMS/View（界面模块）是以用户为中心的交互式图形环境，它提供丰富的零件几何图形库、约束库和力库，将便捷的图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、XY曲线图处理、结果分析和数据打印等

32、功能集成在一起。 1.5 控制工程中的PID控制概述PID控制器也就是我们常说的PID调节器和PID校正装置。其中P表示比例，I表示的是积分，D表示微分。它是出现得比较早的控制策略。它的控制器只要也是围绕着这三个要素展开，例如有积分控制、比例控制、比例微分控制、比例积分控制、和比例积分微分控制等。PID控制器参数整定的方法主要可以分为理论计算和工程整定方法。理论计算即依据系统数学模型，经过理论计算来确定控制器参数；工程整定方法是按照工程经验公式对控制器参数进行整定。这两种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整和完善。PID控制器的主要优点有：原理简单，应用方便，参数整定灵活；适

33、用性强，在不同生产行业或领域都有广泛应用；鲁棒性强，控制品质对受控对象的变化不太敏感。如受控对象受外界扰动时，无需经常改变控制器的参数或结构；在科学技术迅速发展的今天，出现了许多新的控制方法，但PID由于其自身的优点仍在工业过程控制中得到最广泛的应用。典型的PID控制器结构框图如图1-6所示。图1-6 典型的PID控制器结构框图由图可见，PID控制器是通过对误差信号e(t)进行比例、积分或微分运算和结果的加权处理，得到控制器的输出U(t)，作为控制对象的控制量。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个

34、阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。1.6 数学软件Matlab/Simulink简介Simulink是一个用来建模、仿真和分析动态系统的软件包。它基于MATLAB的框图设计环境，支持线性系统和非线性系统，可以用连续采样时间、离散采样时间或两

35、种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的可视的图形用户接口(GUI)，用户可以在这个可视窗口中通过单击和拖动鼠标操作来完成系统建模。利用这个接口，用户可以像用笔在草纸上绘制模型一样，只要构建出系统的方块图即可。这与以前的仿真软件包要求解算微分方程和编写算法语言程序不同，它提供的是一种更快捷、更直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink中的模型分析工具包括线性化工具和调整工具，这可以从MATLAB命令行获取。MATLAB 及其工具箱内还有许多其他的适用于不同工

36、程领域的分析工具。由于MATLAB和Simulink是集成在一起的，因此无论何时用户都可以在这两个环境中仿真、分析和修改模型。Simulink系统建模的主要特性如下： a)框图式建模。Simulink 提供了一个图形化的建模环境，通过鼠标单击和拖拉操作Simulink模块，用户可以在图形化的可视环境中进行框图式建模。 b)支持非线性系统。 c)支持混合系统仿真，即系统中包含连续采样时间和离散采样时间的系统。 d)支持多速率系统仿真，即系统中存在以不同速率运行的组件。 e)Simulink 建立的系统模型可以是层级模型，因此用户可以采用自下而上或自上而下的方式建立模型，并一层一层地查看各级模型。

37、 f)用户可以根据需要建立自定义子系统，并把自定义子系统内的模块进行封装，封装后的自定义子系统具有与Simulink内嵌模块同样的属性，并可由用户设置模块的属性参数。所有的自定义子系统均可在系统模型中使用。 g)MATLAB与Simulink集成在一起，因此，无论何时在这两个环境中的任一环境下都可以建模、分析和仿真用户模型。1.7 课题背景及设计任务首先，自行车机器人作为一种新颖的交通工具，其车体窄小、可作小半径回转、运动灵活、结构简单，因此可以在灾难救援和森林作业中得到广泛的应用，对其进行研究具备一定的创新价值和实际意义。其次，自行车机器人具有复杂的动力学系统，运用ADAMS和Matlab/

38、Simulink联合仿真对其进行控制的方法，与传统的控制方法相比，大大简化了研究的过程，与实际物理样机方法相比，更是在成本上占了很大的优势。这为对具有复杂力学模型的机械系统进行研究提供了一个很好的例子。设计任务主要有：课题的调研、资料的获取、有关知识的准备等。查阅相关资料，了解自行车机器人的数学建模方法和控制原理；学习PRO/E或Solid Works或UG软件，掌握三维建模技术；学习ADAMS软件，了解机械系统动力学分析技术。学习Matlab/Simulink软件，掌握ADAMS与Simulink的接口技术。建立自行车机器人的几何实体模型和虚拟样机模型，完成联合控制仿真。2 自行车机器人的建

39、模运用虚拟样机技术对自行车机器人进行研究的时候，首先要对其进行建模。建模包括几何实体建模和虚拟样机建模，但不包括数学建模。由于用动力学软件ADAMS建立几何模型比用三维软件要麻烦很多，所以先用三维软件建立几何模型然后转成Parasolid格式（后缀名为.X_T ）的CAD文件来导入动力学软件ADAMS中，从而简化建模过程。ADAMS利用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程导出最大数量坐标的微分代数方程(DAE)。它选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉角作为笛卡尔广义坐标，用带乘子的拉格朗日第一类方程处理具有多余坐标的完整约束系统或非完整约束系统，导出以笛卡尔

40、广义坐标为变量的动力学方程。可见，运用虚拟样机建模的方法不需要研究设计人员建立系统的数学模型。2.1 运用三维软件PRO/E对自行车机器人进行几何实体建模由于本次只是做简单的联合仿真，所以建模的时候只建立了主要的部件，只求能看到基本的效果。对于过于复杂的零件和就一一细致建模。所以只需要建车架、车把、坐垫、轮毂、轮胎、销轴这些最基本的组成部分。由于仿真的时候是要导入ADAMS中作研究，所以也需要在PRO/E中建一个地板，因为要给轮胎和地板创建摩擦属性，这样才能使得联合仿真能顺利进行，所以要建一块简单的地板几何实体模型。在用软件建模前，首先要在草稿纸上画好自行车的大概草图，这样可以先确定自行车的大

41、概模样，还要画个每个零件，标注好具体的尺寸。做好这些前期工作，可以在建模的时候省下很多事，建模的时候只要按照事先画好的图一个个把零件建好即可，对于某个零件的尺寸、形状不用去思前顾后。这样大大提高了效率。首先建立自行车的轮子，轮子有两部分组成，一个是轮毂，另一个轮胎。先在电脑上打开PRO/E软件，单击菜单栏的“文件”“新建”，或者直接点击常用工具栏中的新建按钮，又或者直接由快捷键“Ctrl+N”，就会看到如图2-1所示的新建窗口，在文件类型中选择“实体”选项，名称栏就按自己喜欢给零件取名，我们给它命名为“lungu”，如果命名为中文，则会弹出错误提示，所以不能含有中文字符。假如你没有自己重新给它

42、命名，则系统会使用默认的“prt0001”为第一个零件命名，依次以此类推第二个为“prt0002”。在接下来的“使用缺省模板”中取消勾选。要是勾选了这个选项，则会在接下来的建模中给零件使用英制单位。下一步我们会看到如图2-2所示的对话框。选择“mmns_part_solid”后点确定即可。 图 2-1 新建窗口图 2-2新建文件选项窗口左键点击特征工具栏的旋转按钮，屏幕底下弹出操控面板如图2-3所示。图2-3操控面板然后点击“位置”“定义”，接着在主工作区选择一个基准面作为旋转截面的草绘平面，截图时候为了能清楚看到草绘线段和尺寸标注，很有必要对系统背景颜色进行调整。调到自己满意的颜色即可。这个

43、基准面可以是系统默认的top、right、front基准面或者已有零件的某个平面。接着画出如图2-4所示的图形，并且要画出旋转体的中心线。图2-4 轮毂圈旋转体截面形状和尺寸接着点击绘图工具栏中的确定按钮“”，接着点击操控面板的预览按钮“”，确认实体无误之后点击确定按钮“”，否则要点击继续按钮“”对图形进行修改，值得注意的是，可以点击鼠标中键来代替确定。然后就得出如图2-5所示的旋转体。接着，创建中间的拉伸体，左键点击特征工具栏的拉伸按钮，然后在屏幕底下弹出的操控面板中点击“放置”“定义”，接着在主工作区选择一个front基准面作为旋转截面的草绘平面，接着画出如图2-6所示的图形。 图2-5轮

44、毂圈旋转体 图2-6 中间的拉伸体的草绘图形然后点击绘图工具栏中的确定按钮，接着在操控面板中将拉伸深度设置为对称“”，数值为30，然后确定，拉伸体如图2-7所示。由于该拉伸体为圆筒状，因此也可以通过拉伸来创建。 图2-7中心拉伸体接着，用旋转的方式创建轮毂的支撑条。选择top基准面为草绘平面，将已有的几何体的显示模式设置为线框显示，然后选择必要的参照以利于绘制，最后画出如图2-8所示的图形，点击确定。 图2-8支撑条旋转体的草绘图形 图2-9支撑条旋转体通过拉伸功能。把草绘好的图形拉伸成如图2-9所示的实体。选择上面拉伸好的一根支撑杆，单击特征工具栏中的阵列按钮，然后在操控面板中的轴中选择阵列

45、方式为轴，接着设置阵列成员数为5，阵列成员之间的角度为72。点击确定，轮毂模型如图2-10所示。 图2-10 轮毂模型这样就可以得到一个看起来非常高端大气的上档次的五幅轮毂。虽然建模起来有点麻烦，但是看起来很满意，看起来是相当的炫酷。现在很多高端的轮毂都是采用这种造型。以下是其他零件的三维建模截图： 图2-11 车把 图2-12 车架车把的建模比较简单，仅仅用拉伸这个功能就能把它弄出来，只要一步步来，只要在合适的面上草绘出想要的图形然后拉伸，这一点都不难，不过要注意各个地方的尺寸。在把基本的形状弄出来后，为了美观，可以将建好的模进行一下倒角，这样看起来比较圆润。 车架的建模就难在拉伸的时候选择

46、的草绘面，其中要自己先建立几个合理的基准面，比如与车把衔接的地方要创建一个与车架横柱夹角为75的基准面，只有这样能等得到比较合理美观的车架。车架大概样子建好之后同样对其进行倒角。 图 2-12轮胎 图2-13坐垫轮胎的建模很简单，左键点击特征工具栏的旋转按钮，选择草绘平面，画一根中心线，然后画一个直径为20mm的圆，点击确定就可以了。坐垫也是运用了拉伸的功能，选择拉伸后，选择一个草绘平面，画出事先设计好的坐垫的样子，然后点击确定，就能得出大致轮廓，然后再进行一下倒角，就能得到上图的样子。 图2-14销轴 图2-15地板销轴和地板就更加简单了，这里就不多做介绍了。在使用PRO/E时，需要注意的是

47、，由于它是一款国外的软件，所以在PRO/E中建立文件时要用英文或者数字，不能使用中文字符，这点前面有提到过，否则会提示错误。顺便说一下，PRO/E在安装时，安装目录也不能含有中文名，不然软件会出错。零件图画好后，就可以建立装配体文件了。点击新建按钮，在子类型里选择组件，单击确定，一个新的装配体文件就新建完成了。装配顺序是很重要的，它会直接影响一个装配体的性能。由于文件导入ADAMS后的装配体坐标系与PRO/E中的缺省坐标系平行，又考虑到重力加速度是和地面垂直的，于是先装配地板，使地板的坐标系与整个装配体的坐标系重合。如果不先装配地板，而是先装配车把，虽然那样装配起来要简便些，但是，由于车把相对

48、地面时倾斜的，这样将会导致设置与地面垂直的坐标系成为一件很困难而且麻烦的事情。拟定的装配顺序是：地板后轮胎后轮毂后轮销轴车架车把前轮销轴前轮毂前轮胎。在新建的装配体文件中，点击特征工具栏中的添加元件按钮，在弹出的“打开”对话框选择地板打开，然后在屏幕下方的操控面板的第二个下拉菜单中选择“缺省”，点击确定，第一个零件装配完成。然后装后轮胎，轮胎和地面的约束有三个，两个匹配和一个相切。点击添加元件按钮，选择后轮胎后点击“打开”，在屏幕下方的操控面板中选择“位置”，在约束类型中选择“匹配”，然后在轮子和地板中个选择一个基准面，然后点击“新建约束”，再在装配类型中选择“匹配”，然后在新建约束，使轮胎和

49、地面相切。其他的零件装配过程和后轮胎的类似，不再详述。但是值得一提的是，在装配车架的时候，要用到一个“销钉”约束，这种约束并不能是其自由度为0，这是为了可以在不计算装配距离的前提下可以装配前轮胎，否则，要保证前轮胎与地面相切，必先计算车架与地面的角度，这将会造成一定的麻烦。自行车几何模型如图2-16所示： 图2-16自行车机器人装配体然后点击文件另存为选择后缀为.X_T格式的抛物面格式。选择好要保存的地址，方面以后查找。只有这样才能顺利导入到ADAMS软件中。2.2 运用动力学软件ADAMS对自行车机器人进行虚拟样机建模打开ADAMS软件，屏幕出现ADAMS/View的欢迎界面，如图2-17所

50、示。图2-17 ADAMS/View的欢迎界面选择“Import a file”,接着在Start in里面找到刚刚建好的几何模型所保存的路径，然后点击“OK”按钮。随后会弹出如图2-18所示的对话框。图2-18 文件导入窗口在“File Type”下拉菜单中选择Parasolid（实体建模模块）格式，在“File To Read”中找到刚刚保存好的以.X_T保存的抛物面装配体文件，然后在“Model Name”右边的文本框中点击右键，选择“Model”，再选择“Create”，你就会看到如图2-19所示的对话框，在Model Name中输入模型的名称，这这里需要注意的是，模型的文件名是有严格

51、规定的，模型的名称有固定的格式，首先不能包含中文，其次必须以字母开头，最后还要以下划线加上数字作为结尾。最后点击“OK”按钮。有时候会出现无法导入文件的问题，那时因为文件保留的途径含有中文字符，改变文件的路径就能解决这个问题。 图2-19 模型创建对话框 图2-20重力加速度设定 接下来我们要给虚拟样机添加各种属性，一个完整的虚拟样机模型各个零件都应该有的重力加速度，质量属性、各种约束以及载荷，添加这些要素是没有固定的顺序，只要全部添加完即可。我们遵循先简后繁的原则，就先给整个样机系统添加重力加速度，点击菜单栏的“Settings”“Gravity”，系统会弹出如图2-20所示的对话框。首先勾

52、选“Gravity”，然后根据导入的模型再结合坐标系设定重力加速度的方向，如果重力加速度的方向是沿着-Y轴的方向，则应点击 “-Y*” 按钮。重力加速度大小就取默认的9806.65，这个不需要我们自行再去查询。最后点击“OK”按钮。然后给材料设计质量属性，虽然这个是仿真，但是也只是要大概了解运动情况，所以为了方便，全部零件的材料设置为铝即可，不需要考虑其是否完全合理。每个部件都是要添加质量属性的，要是忘记某个不见忘记了添加，那么测试的时候你会发现那个部件会静止不动。首先，鼠标放在在零件上，点击右键，选择“Part：PART”，在下拉菜单选择“Modify”，系统会弹出如图2-21所示的窗口。图

53、2-21 材料属性定义对话框然后在“Define Mass By”中选择“Geometry and Material Type”，接着，在“Material Type”中右击，选择“Material”“Guesses”“aluminum”，最后点击“OK”按钮。当每个零件都完成以上操作。就可以进行下一个步骤了，接着添加约束，对于轮子、轮胎和轮毂用固定副连接，即选择Joint中的，表示将他们相互锁定起来。轮毂和销轴用旋转副连接，也就是要用，因为轮子要绕着销轴选择，前后轮都一样。前后轮的销轴分别与车把、车架以固定副连接；坐垫与车架以固定副连接；因为要做的是圆周运动，所以车把与车架可以固定为45，故

54、车把和车架不需要添加旋转副采用固定副就可以了，这样可以达到简化样机的作用；地板与ADAMS中的地板“ground”以固定副连接。此外，地面和两个轮胎之间都定义了库伦摩擦，这样才能让轮子在地板上走。地面与轮胎添加的库伦摩擦是自行车机器人能够运动和平衡的前提。定义摩擦就是定义接触，其他构件和地面的摩擦是为了当车倒下的时候，构件不会穿地而入，而是和地面相接处，被地面“挡住”。下面以前轮轮毂和销轴的旋转副的创建为例，说明运动副的创建过程。首先在工具栏中选择按钮，然后在“Construction”的第一个下拉菜单中选择“2 Bod-1Loc”，意思是所创建的旋转副是在两个构件之间绕着一根轴旋转，接着在第

55、二下拉菜单选择“Pick Feature”，就是通过选择两个点或者一个点和一个方向来确定旋转轴的方向，如果选“Normal To Grid”系统将会使轴的方向与地面垂直或者平行，然后在“First Body”和“Second Body”中均设置为“Pick Body”，接着陆续选择轮毂和销轴，然后选择轮毂质心结合销轴的轴线方向确定旋转副的方向。创建完成的运动副如图2-22所示。图2-22 前轮轴线处的旋转副在创建驱动方式的时候，有两种方法，一种是采用力矩驱动，另一种是采用创建运动的方式，因为第一种操作起来比较常用，所以在这里选用第一种方法。首先在主工具箱中右击，接着选择，在“Run-time

56、Direction”下拉菜单中选择“Body Fixed”，然后在“Construction”下拉菜单中选择“Pick Feature”，勾选“Torque”，并在左边的文本框中输入0。然后鼠标转到模型区，拾取“前轮轮毂”，然后拾取轮毂质心，再选择其中一根轴作为力矩的方向，创建完成的力矩如图2-23所示。图2-23 前轮驱动力矩接下来定义接触，这里以地面和后轮轮胎的接触的定义为例，说明定义接触的过程。右击，选择。屏幕就会弹出如图2-24所示的窗口，接着在I Solid(s)中右击，选择“Constant_Solid”“Pick”，在模型区拾取前轮轮毂，然后在J Solid(s)中右击，选择“C

57、onstant_Solid”“Pick”，在模型区拾取地板，在窗口最下方的“Friction Force”中选择“Coulomb”，然后分别在“Static Coefficient”和“Dynamic Coefficient”中设置静、动摩擦系数，最后点击“OK”按钮。至此，虚拟样机模型创建完成。图2-24 接触定义窗口3 ADAMS和MATLAB联合起来对自行车机器人仿真 到这里，虚拟样机的基本要素已经建好，接下来的工作就是对其运动进行研究，研究其是怎么运动的，又是怎么保持平衡的。在研究之前，首先要弄明白自行车机器人的动态平衡原理，只有这样才能合理地选择控制方案，从而确定控制策略并设计控制器

58、，进而保证联合仿真阶段能顺利进行。3.1 自行车机器人动态平衡原理自行车是在动态的时候可以保持平衡，在静态是不能保持平衡的一个机械系统。自行车及其人在动态保持平衡的时候是要靠调节控制系统不断反馈过程，这个一个很复杂的过程，需要控制器不断运算。在自行车机器人匀速运动的时候，它车身的倾斜角度的期望值有两种情况：如果自行车机器人做的是直线运动，那么平衡条件是车身的倾角为零；假如自行车机器人做的是圆周运动，通过对自行车的整体力学分析，我们会得知自行车需要一个向心力才能完成圆周运动，于是就应该有一个力或者力矩提供向心力，所以，车架就要向转弯的方向有一个倾角，这个时候地面对自行车的支持力与自行车受到的重力

59、不在同一直线上，为了平衡，重力会有一个重力分力指向圆周运动的圆心来提供向心力。这样只要倾斜角度倾斜合理，自行车机器人就有能够做圆周运动了。做圆周运动的自行车机器人的动力学模型在没有控制的情况下，如果自行车静止时车架无偏角，那么自行车启动的时候，由牛顿惯性定律可知道，车架必定会向反方向倾斜，导致自行车倒地，于是，自行车要启动，必先反方向转动车轮，从而利用自身重力的一个分力作为前进的动力；而在运动的过程中，倾角的调节是依靠驱动轮的转速的变化：当自行车机器人有向某一个方向倾倒的趋势的时候，自行车的前轮就会在该方向上加速，此时，车架就会受到一个反方向的惯性力，重新回到平衡位置。因此，首先要确定车架平衡位置的期望倾角，其次要有测量装置对倾角进行实时测量和反馈，从而控制车轮的加速度。虽然说前轮的角速度会因为调节器的不断调节从而会不断地改变，可是在事先设定好某个期望转速后，速度都会在这个转速的上下波动，不会有很大的浮动的。所以看到车轮的转速肉眼看不出太大的区别。3.2 控制策略及控制器的设计有了上面的动平衡分析，和一定的理论知识，让我们可以知道控制自行车机器人圆周运动的动态平衡主要控制两个变量的参数，其中一个就是车轮的转速，还有另一个就是车架的倾角。只要能控制要这两个变量，那么自行车机器人就能保持平衡地完成圆周运动了。车轮的转速控制是指将车轮的角速度控制在一个合适值的附近，以保证