六轮足地面无人车辆动力学建模及仿真研究

董震;邢俊文

【摘 要】为了对六轮足无人车辆动力学特性进行研究,结合多体动力学理论,基于RecurDyn仿真平台建立了路面系统模型和车辆动力学模型;选取典型路况、不同障碍对无人车辆进行多工况动力学仿真;仿真结果表明:所建三维路面模型能够较好的模拟实际随机路面;所建六轮足无人车辆模型越障性能较好,具有良好的通过障碍的能力.为六轮足无人车辆的设计和研究提供了模型参考. 【期刊名称】《现代机械》 【年(卷),期】2017(000)005 【总页数】4页(P71-74)

【关键词】六轮足无人车辆;动力学特性;RecurDyn;随机路面 【作 者】董震;邢俊文

【作者单位】装甲兵工程学院 机械工程系,北京100072;装甲兵工程学院 机械工程系,北京100072 【正文语种】中 文 【中图分类】TJ811

随着人口密集度和城市化率的逐步提高，陆军的作战方式不断向城市化作战转变，地面无人车辆应运而生。城市地形的多样性、复杂性对地面无人车辆提出了更多、更严格的战技指标[1]。

目前：针对无人车辆，各国先后开展了广泛而深入的研究。美国的混合动力型“悍

马”就搭载了电机进行驱动[2]；德国莱茵金属公司开发的多用途车辆是靠轮毂电机驱动的[3]；由日本东京大学牵头研制的电动汽车采用多轮电机驱动[4]。在小型UGV方面，最具代表性的是由德国洛波沃契公司研制的“奥佛洛”安全巡逻车[5]，由于该车搭载了热成像探测器和核生化探测器，既能识别外部运动的人和车辆，也能进行核生化危险报警，所以常常作为机场、火车站、体育馆等人员密集场所的巡逻车。国内很多高校和研究机构也对地面无人车辆进行了研究，其中具有代表性的有装甲兵工程学院研制的8x8全道路无人驾驶机动平台、中兵光电科技股份有限公司研制的8x8UGV、北京航空航天大学与众多高校联合设计的NOROS机器人等[6]。

针对地面无人车辆，本文通过建立车辆动力学模型，对其动力学特性和越野机动性进行仿真研究。 1.1 行驶随机路面建模

路面不平度是影响车辆行驶平顺性和和结构可靠性的重要因素。为了便于统计分析，通常将其简化为平稳各态历经的、均值为0的Gaussian随机过程。根据GB7031的规定，路面不平度的功率谱密度与其空间频率在双对数坐标系下成线性比例关系，其拟合表达式为[7]：

式(1)中，Gq(f)为路面不平度空间频率f对应的功率谱密度；Gq(f0)为路面不平度参考空间频率f0对应的标准功率谱密度，f0=0.1 m-1；w为频率指数。 目前，针对路面不平度的数值模拟主要依据上述理论，重构时间域和空间域内路面不平度模型。

根据经典谱分析理论，任意平稳各态历经的随机信号可以展开成无限次谐波信号相叠加的过程。各次谐波幅值可以根据对应频段下路面不平度的功率谱得到，而相位由随机数发生器产生，笔者即选用谐波叠加法进行路面模拟。

根据上述理论分析，将路面空间频率f(f1为Δf，取每个区间的中心频率fmid-i(i=1，2，…，N)对应的功率谱Gq(fmid-i)近似代替该区间范围Δf的功率密度，该路面不平度随机过程可以表示为： 式(2)中q(x)为路面纵向距离x对应的路面不平度，θi为[0，2π]上均匀分布的随机数，Ai为中心频率fmid-i对应的谐波的振动幅值： Ai=

在Matlab环境下，对各种典型随机路面环境进行了模拟，文中以E级路面为例进行说明，E级路面和功率谱的仿真结果如图1和图2所示。 1.2 基于RecurDyn平台建立六轮足车辆模型

实际六轮足车辆结构十分复杂，为了重点研究车辆的越障性能，以动力学基本参数为主建立车辆动力学模型，建模过程中对实际车辆作相应简化。

1)车体总成看作一个刚体，具有6个自由度，包括载货、动力传动系统作为集中质量，按照坐标位置刚性连接在车体上，统称为车体部件；

2)楼梯为硬路面，轮胎与地面作用不考虑地面的剪切变形，忽略两侧路面不平度高频成分的差异，认为两侧行动系统的输入基本相同；

3)忽略运动副内部的摩擦影响和液压系统的阻尼和空回现象对机构运动的影响，假定运动副内部无摩擦能耗。

建立动力学模型主要以行动系统为主，建模部件主要为：车身、大腿及大腿液压缸装置、小腿及小腿液压缸装置、轮足转向机构及液压缸装置、轮胎等部件，车辆拓扑结构关系如图3所示。

本文通过Proe三维建模平台建立车辆装配体模型，部件之间主要通过旋转副、移动副和接触副相互连接，将所建装配体模型以交换数据格式保存，导入RecurDyn中，赋予部件结构和材料属性，添加运动副和运动关系建立约束状态下的多自由度车辆模型，应用RecurDyn中的Tire工具箱建立轮胎模型装配在车体上，所建轮胎及整车模型如图4所示[8]。

本文主要对六轮足车辆通过楼梯障碍的情况进行分析，楼梯障碍的宽度和高度是影响车辆攀爬楼梯障碍的主要因素。六轮足车辆攀爬楼梯障碍时，车辆必须借助大腿、小腿的驱动伸缩功能才能攀爬楼梯障碍，车辆攀爬楼梯障碍过程可分为三个阶段，即前轮越障、中轮越障及后轮越障，过程相互配合，其详细的越障过程可以分为9个步骤，如图5所示。

车辆还未到达楼梯障碍时的状态如图5(a)所示，当车辆行驶至楼梯障碍前2 m车辆减速行驶，前轮开始越障，其越障方式为液压缸驱动车辆左腿大腿收缩和小腿伸长，将车辆左前轮抬高，脱离地面，如图5(b)所示；车辆继续保持向前运动，当左轮到达楼梯上方时液压缸驱动小腿收缩，使小腿向下摆动，直到轮胎与楼梯路面接触，如图5(c)所示；随后液压缸驱动右前腿向上摆动，车辆继续保持向前运动，当右轮到达楼梯上方时液压缸驱动右小腿收缩，使右小腿向下摆动，直到轮胎与楼梯路面接触，如图5(d)所示，这个过程为前轮的越障过程。

仿真过程中，由于更关心机构的运动过程，所以在液压系统迅速完成动作的过程中，将液压缸的驱动力特性转化为驱动活塞的运动特性，即将液压缸的驱动力变化时间历程转化为活塞的移动副的驱动速度时间历程，驱动车辆行驶。

前轮两腿照样如前描述，模拟哺乳动物的腿交替向上攀爬楼梯，当中轮到达楼梯时中轮向上移动至最高位置，使轮胎离开地面，如图5(e)和5(f)所示。当车辆行驶至后轮到达楼梯位置时，右后腿液压缸驱动大腿和小腿收缩，使右后腿轮胎向上抬，直到达到楼梯高度，车辆继续前行，使右轮胎与楼梯接触，如图5(g)所示。而后左轮按照同样的方式进行攀爬楼梯如图5(h)所示。

当车辆前轮与后轮均离开水平地面后，六轮足车辆将按照哺乳动物爬行方式，使前后腿实现交替攀爬，当前腿完成楼梯攀爬后不再进行交替爬行，这时液压缸驱动两前腿弯曲收缩，使后腿继续前行如图5(i)和5(j)所示。直到后腿完成攀爬时，车辆

才完全通过楼梯障碍，当车辆前后轮均处于水平地面时，中轮向下移动，车轮胎与地面接触，进而使车辆六轮均与地面接触，保证稳定状态，此时各腿部液压缸开始复位，车辆加速行驶。

在车辆越障过程中，最重要的影响因素是重心位置，应保证车辆在各个状态下的重心位置恰到好处，保证车辆快速、平稳通过楼梯障碍[9]。

在车辆越障运动过程中，影响六轮足车辆越障能力的因素有许多，其中主要因素有：车辆的行驶速度，车辆大腿和小腿伸缩范围，中轮上升高度等，为了研究车辆越障过程中行驶的平稳性，需对车辆质心动力学特性进行分析。质心的运动学特性如图6所示。

图6(a)观察可得，六轮无人小车在4 s～21 s过程中完成爬越楼梯障碍，车体的俯仰角位移从0°～39°，行驶过程中车体俯仰角位移无太大波动，行驶稳定；图6(b)中车体垂向振动加速度在0 m/s-2～55 m/s-2区间变化，在几个迈腿的环节中加速度较大，对车体造成一定的振动冲击，使车体稳定性变差；图6(c)中车体的速度一直较稳定，在-0.4 m/s～1.0 m/s区间波动，速度变化范围很小，行驶缓慢，通过图6的分析可知车辆平稳性较好。

为了进一步研究无人车辆行驶的驱动性能，对典型部件的力矩进行分析。选取大腿和小腿的关节进行力矩仿真分析。如图7所示。

通过图7中不同大腿和小腿关节力矩分析和轮与地面垂向接触力可知，左后大腿的关节力相比右后侧小腿关节力要小，说明通过楼梯障碍过程中，小腿关节所受的冲击力矩较大，主要依靠小腿完成爬楼梯动作，所以，对小腿的稳定性和可靠性要求更高。

本文通过建立六轮地面无人小车多体动力学模型，对小车通过典型楼梯障碍进行仿真分析，结论如下。

1)基于功率谱仿真建立车辆行驶随机路面模型能够较好地模拟实际行驶路面，为车

辆动力学的研究奠定了基础。

2)所建六轮足车辆动力学模型具有良好的行驶越障特性，爬越楼梯障碍过程中车体质心运动平稳，为轮足电动车的设计和越障研究提供了模型依据和技术参考。 3)分别对越障和行驶过程中车辆大腿和小腿关节的冲击力矩进行分析，小腿所受冲击力矩是大腿所受冲击力矩的10倍左右，表明完成越障过程小腿起决定性作用，为轮足车辆的动力机构的设计提供范围参考。

【相关文献】

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[8] 焦晓娟，张渭，彭斌彬.RecurDyn多体系统优化仿真技术[M].北京：清华大学出版社，2010. [9] 房玉吉.轮腿复合式移动机器人越障分析与控制系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.