地形自适应全转向消防无人车移动系统设计与分析

摘要

随着各种大型石油化工企业、危险品仓库等的不断增多，油品燃气、毒气泄漏爆炸等灾害隐患也在不断增加。这些灾害往往具有非常大的破坏性，为了及时营救受灾受困人员、防止灾害进一步扩大或者防止灾害的二次发生，对于消防救援有着时间的紧迫性和行动的必须性要求。但这类灾害往往伴随着有毒、辐射、缺氧或易燃易爆等危险状况的发生，使得消防人员难以深入事故现场进行环境侦察和消防救援。如果消防人员没有对环境进行充分侦察和了解，便盲目进入事故现场开展消防行动，这样不仅难以取得预期效果，反而有可能造成人员伤亡。即使已经对环境进行了充分的了解，如果让消防救援人员亲自进入这些危险的环境里，也很有可能因为辐射、有毒等或者二次灾害突然发生造成消防救援人员的牺牲。针对此世界各国都在积极进行消防无人车的研制，以帮助或者替代消防救援人员在危险区域进行环境侦查和消防救援工作。由于消防灾害事故现场地形复杂，因而对消防无人车移动系统具有一定要求。本文围绕着提高消防无人车在狭窄区域的移动灵活性和复杂路况的适应性，开展了地形自适应全转向消防无人车移动系统研究。本论文的主要研究工作如下:
　　首先，提出了一种新型地形自适应全转向消防无人车移动系统方案。
　　本文在分析现在消防无人车采用的主要行走机构及转向机构的优缺点的基础上，以兼顾移动高效性和转向灵活性为目的，进行了消防无人车整体结构设计，确定了能够灵活的在被动适应地形和主动抬升越障之间切换的行进机构和全转向移动机构方案。完成了地形自适应模块、主动抬升模块、全转向模块的实现机构具体设计;同时在机构设计基础上，进行了与之匹配的环境感知模块、驱动控制模块的设计。
　　其次，进行了地形自适应全转向消防无人车移动系统建模与分析。
　　通过车辆动力学模型分析了该移动系统在运动过程中的受力状况，对该移动系统进行了驱动条件验证。通过建立被动自适应典型障碍进行分析，获得了该移动系统通过典型障碍物时的静平衡方程，分析了其地形适应能力。通过建立主动抬升力矩方程及抬升高度分析模型，获得了主动抬升时所需的抬升力矩、抬升高度与各杆件之间的关系、前摇杆与车体俯仰角之间的关系。建立了不同转向模式下的分析模型，分析了移动系统转向过程中各轮运动学关系，获得了各车轮的转角和速度关系。
　　最后，对地形自适应全转向消防无人车移动系统进行了仿真与实验。
　　文章搭建了物理样机试验平台并进行了障碍检测、被动适应地形、主动抬升越障和转向避障相关实验。通过障碍检测实验对所设计的环境感知模块的障碍检测有效性进行了验证。通过地形自适应仿真实验及实际起伏路面检测了其地形自适应能力。针对其主动模式进行了主动抬升力矩仿真以及主动抬升越障实验。最后进行了转向避障仿真及实验，分别对其两轮转向、原地转向和横向行驶三种转向方式可行性进行了验证。通过仿真和实验表明所设计移动系统能够实现对起伏地形的被动自适应并可进行主动抬越障，同时可实现原地转向和横向行驶等全转向移动。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 国内外的研究发展现状

1．2．1 消防无人车研究应用及其发展趋势

1．2．2 消防无人车行走机构研究发展现状

1．2．3 消防无人车转向机构研究发展现状

1．2．4 消防无人车环境感知研究发展现状

1．3 主要内容及结构

1．4 本章小结

第2章 消防无人车移动系统设计

2．1 移动系统整体设计框架

2．2 移动系统机械结构设计

2．2．1 被动自适应模块设计

2．2．2 主动抬升模块设计

2．2．3 全转向模块设计

2．3 移动系统系统控制模块设计

2．3．1 环境感知模块设计

2．3．2 驱动控制模块设计

2．4 本章小结

第3章 消防无人车移动系统建模与分析

3．1 被动自适应建模与分析

3．1．1 坡路牵引通过性建模分析

3．1．2 障碍牵引通过性建模分析

3．2 主动抬升建模分析

3．2．1 抬升力矩建模分析

3．2．2 抬升高度建模分析

3．3 转向运动建模分析

3．3．1 常规转向建模分析

3．3．2 全转向运动建模分析

3．4 本章小结

第4章 消防无人车移动系统仿真与实验

4．1 物理样机测试平台搭建

4．2 障碍物检测测量实验

4．3 地形自适应仿真与实验

4．3．1 地形适应性及载荷平稳性仿真

4．3．2 地形适应性及通过性测试

4．4 障碍通过性仿真与实验

4．4．1 主动抬升力矩仿真实验

4．4．2 主动抬升越障实际测试

4．5 避障高效性仿真与实验

4．5．1 正常转向仿真与实验

4．5．2 全转向移动避障实际测试

4．6 本章小结

第5章 结论

5．1 主要工作与全文总结

5．2 不足与展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

索引