工厂无人驾驶扫地车的设计与实现.pdfVIP

摘要 摘要 随着中国环卫行业的产业结构调整和转型升级，移动机器人技术逐渐应用于多种 清扫设备。智能清扫设备不但可以脱离人工操作自主完成作业，而且能够提高清洁效 率，减少人力成本，降低劳动强度。如今家用扫地机器人和道路清扫车技术较为成熟， 但是对于工厂环境而言，其清扫工作面积介于家庭和道路之间并且垃圾种类复杂，目 前主要清扫方式还是人工清扫或者驾驶式扫地车清扫。因此，针对工厂环境的作业需 求，本文设计了工厂无人驾驶扫地车的结构和控制系统并实现扫地车移动平台的轨迹 跟踪运动控制，重点开展如下研究： （1）开展工厂无人驾驶扫地车的结构设计与分析。根据工厂环境下的扫地车工 况，利用比较优选、建模计算、数字化设计等方法对底盘构型、车轮结构、驱动结构、 转向结构和清扫工作装置等核心部件展开设计并搭建三维模型，计算了驱动电机和转 向电机所需的扭矩和功率，完成了新型工厂无人驾驶扫地车的结构设计。根据设计结 果对扫地车进行了运动学与动力学建模，基于纯滚动原理进行刚体运动学建模，基于 单轨模型进行非线性动力学建模。 （2 ）开展工厂无人驾驶扫地车轨迹跟踪控制器的设计。为了实现扫地车对规划 轨迹的跟踪，在车辆单轨模型和线性轮胎模型的基础上，对车辆动力学模型做线性化 和离散化处理得到预测模型，结合运动学约束条件和优化目标函数设计了轨迹跟踪控 制器。以车辆动力学仿真软件CarSim 和控制系统仿真软件Matlab/Simulink 为平台， 设计并进行了扫地车移动平台的轨迹跟踪仿真实验，相较于常规PID 算法控制器，本 文设计的控制器跟踪轨迹的耗时更短，跟踪后期误差更小。实验结果表明，所设计的 控制器满足设计要求，在不同速度下能够对各种形状的轨迹进行跟踪。 （3 ）开展工厂无人驾驶扫地车的样机试制与控制系统测试。对驾驶式扫地车进 行了改造，开展无人扫地车样机试制，搭建车载电子硬件结构，分别对扫地车电机、 主控制器模块、运动控制模块、清扫工作装置控制模块、传感器模块、供电模块进行 选型，在所试制的样机上测试了本文设计的控制系统，并开展工厂环境下的轨迹跟踪 运动精度试验。试验结果表明，在设计要求的速度范围内，工厂无人驾驶扫地车样机 I 摘要 的运动具有稳定性，各种轨迹的跟踪偏差率在5% 以下。 本文设计的工厂无人驾驶扫地车结构满足工厂环境下的设计要求，所搭建的基于 模型预测控制器的轨迹跟踪控制系统满足控制要求，通过试制的实物样机试验验证表 明其具有一定的实际应用价值。 关键词：移动机器人，扫地车，结构设计，轨迹跟踪，模型预测控制 II 目录 目录 摘要I ABSTRACTIII 目录 V 1 绪论 1 1.1 课题来源和研究背景 1 1.2 国内外研究现状 2 1.2.1 驾驶式扫地车研究现状 2 1.2.2 无人驾驶扫地车研究现状 3 1.2.3 扫地车无人驾驶技术研究现状 4 1.3 研究内容、章节安排和技术路线 6 1.3.1 研究内容 6 1.3.2 章节安排 7 1.3.3 技术路线 8 2 工厂无人驾驶扫地车结构设计 9 2.1 工况分析 9 2.2 设计原则和要求 10 2.2.1 设计原则 10 2.2.2 设计要求 10 2.3 结构设计 11 2.3.1 底盘构型方案选择 11 2.3.2 车轮选择 13 2.3.3 后轮驱动结构设计 14 2.3.4 前轮转向结构设计 15 2.3.5