汽车自动驾驶机器人驱动机构仿真研究(2)
4.2 Ansoft Maxwel 简介 22
4.3 运用Ansoft Maxwel 仿真分析电机的步骤 .. 23
4.4 直线电机二文建模 . 25
4.5 直线电机二文电磁仿真分析 .. 29
4.6 本章小结 40
5 热力学有限元分析 .. 41
5.1 引言 . 41
5.2 ANSYS 简介 .. 41
5.3 电机热力学有限元分析 41
5.4 本章小结 44
结 论 .. 45
致 谢 .. 46
参考文献 47
1 绪论 1.1 课题背景与研究目的和意义 驾驶机器人指不对车辆改装，可以无损害安装于汽车驾驶室，并且适于各种车型，能够模拟人于真实驾驶环境中对汽车的多种控制操作，代替驾驶员在危险条件与恶劣环境中进行汽车驾驶的机器人，它在民用、军用领域均具有很高的应用价值[1]。 近年来，随着科学技术高速发展，汽车工业技术也步入高速发展阶段，与此同时人类对汽车性能的要求也越来越高。众所周知，汽车完美性能的实现需要经过大量的试验工作。在汽车试验的多种项目中，缘于强重复性、长时间性、高危险性、恶劣环境以及循环车速频繁变换等，务必不断施行汽车的加速、稳速、减速和换挡，而且速度变化和行驶里程存在相应约束关系，要求驾驶员时刻保持高度紧张的精神状态，因此在这样的背景下可以让机器人代替人类试验员完成汽车试验， 通过这种替代在试验中可以实现许多人类驾驶员达不到的目的。一方面，利用驾驶机器人进行试验能够降低试验环境对试验人员的伤害，减轻试验人员的劳动强度，增强试验结果的客观性和准确度，节省试验成本，提高试验效率，消除人为因素的影响；另一方面，对加速汽车研发进度具有相当重要的意义[2]。 现今，西方发达国家已经在汽车驾驶机器人的研究领域取得了关键性技术，但是不对外公开，所以开展自主研究汽车驾驶机器人对于缩小我国与发达国家在汽车高技术领域的差距和提高我国汽车工业技术水平均具有重要意义，并且能为无人驾驶车辆、无人驾驶消防车、无人驾驶武器平台、战地侦察车等军事领域的应用中提供理论基础与技术支撑，总而言之在这方面开展深入的研究将对我国汽车工业的进步产生巨大的推动作用。 1.2 驾驶机器人国内外研究现状 1.2.1 国外驾驶机器人研究现状 二十世纪八十年代中期开始，国外就研究汽车驾驶机器人用以提高汽车试验的精度，主要国家以美国、日本、德国、英国等国为主。随着国际间实施了排放法规，更加速了这种机器人的研制。在欧美国家，用于汽车试验的驾驶机器人相继诞生于大多数科研院校和公司，它被用来代替试验人员驾驶汽车。基础理论研究方面，Wolfgang Thiel等主攻驾驶机器人的不同驾驶风格与方式对汽车排放所产生的影响。 Joseph Christian Gerdes 等则聚焦在车辆发动机、制动器和轮胎等项目上的的非线性特征研究，历经多年的研究得出智能交通系统中关于汽车速度的鲁棒控制法成果。关于车辆特性的自学习，Akinobu Moriyama 等通过机器人自学习算法同时使用线性查表方式建立了油门开度与发动机转速和发动机扭矩之间的关系，还建立了制动器位移与制动力的关系，最后把这些结果存储在汽车主控计算机中。在实际应用方面，由于该领域的保密研究，相关文献和资料较少，掌握这个技术的国家和机构鲜有报道，经过查询知道主要有美国 LBECO，英国 MIRA、Froude Consine，德国 SCHENCK、STAHLE、WILT和日本的 HORIBA、Autopilot、AUTOMAX等，德国 STAHLE公司生产的驾驶机器人如1.1所示： 1.1 德国 STAHLE 公司生产的驾驶机器人 已经研发出的机器人在结构上都具有相似性，绝大多数都由油门机械腿、制动机械腿、离合器机械腿（在配备自动变速箱的试验车中，离合器机械腿部分可以略去）和选、换挡机械手组成，其中驱动方式主要是液压、气动和电动三种。 1.2.2 国内驾驶机器人研究简介 国内汽车驾驶机器人的研究工作较西方国家有些晚，始于二十世纪九十年代中期，但是经过二十多年的研究历程已经取得了丰硕的成果。扬名全国的是：东南大学联合南京汽车研究所开发的拥有自主知识产权的 DNC-1 型、DNC-2 型和 DNC-3 型驾驶机器人（图 1.2 是DNC-1 型机器人）。其中 DNC-1 型驾驶机器人使用全气动的驱动方式，缺点是油门位置定位精度较差；而在 DNC-2型驾驶机器人上则改为气电混合的驱动方式，其中仅有油门机械腿使用步进电机来驱动，这样的更改提高了油门控制精度，但 DNC-1 型和 DNC-2 型驾驶机器人安装时需要拆卸驾驶员座椅，故安装固定不方便；DNC-3型驾驶机器人为全电动驱动方式，执行机构定位快速准确，无需拆卸座椅，可无损快速安装。东南大学是国内最早研究汽车驾驶机器人的单位，于1994 年自主研发成功国内首台汽车驾驶机器人，并通过技术鉴定，主要性能指标达到国际先进水平。目前，在国家自然科学基金项目的资助下，南京理工大学机械工程学院正与东南大学仪器科学与工程学院进行 DNC-4 型电磁驱动无人驾驶机器人的研究工作。 1.3 驾驶机器人驱动技术研究现状 在讲解驾驶机器人的驱动技术之前，需要介绍驱动机构在驾驶机器人系统里的布置位置。驾驶机器人的系统组成主要有主控制单元、伺服控制单元以及执行器单元[3]，系统结构如图 所示： 1.3 驾驶机器人系统组成 （1）主控制单元 主控制单元发挥的作用是：实时接收传感器发回的关于执行机构所处位置的数据，还有车速和发动机转速等信息，然后计算机快速地完成输入数据与存储芯片里车辆试验循环工况数据的比较，最后经过运算立即实时输出执行器指令信号，实现同步控制发动机起动与停止。 （2）伺服控制单元 这是本课题研究的主要内容，在此课题中驾驶机器人在驱动执行机构时采用电磁驱动方式，这能够让机器人拥有如人类驾驶员一样的快速性、柔顺性和高精度等的良好特性，达到在车辆操纵时如人驾驶员般的灵活性。驾驶机器人系统中主控制单元发送信号给伺服控制单元然后驱动伺服电机，驱动执行机构完成驾驶操作。 （3）执行机构单元 这个单元主要包含选换挡机械手、油门机械腿、制动机械腿和离合器机械腿，它们相应地和变速器操纵杆，油门踏板，制动器踏板和离合踏板连接。不可忽略的是，执行机构系统中由位置传感器和力传感器所组成的传感与检测元件是必不可少的，这类元件可以把各个执行器的力、位移和速度等关键信息反馈给主控制单元，最后实现驾驶机器人操纵动作的实时性和准确性。 查阅资料我得知，驾驶机器人的驱动方式主要有液压、气动、电动以及气电混合四种。最先出现的方式是液压驱动方式，它的不足是液压用油要具有很高的密封性，而且组成结构复杂。因为其动作的弹性和柔顺性方面有不足，所以逐步被气电混合型驱动方式取代。这种新兴起的气电混合型驱动方式采用电动方法驱动油门机械腿，其余执行机构均被气动驱动。在气压驱动方式中，获取气源容易且组成机构相对简单，但是油门机械腿在定位精度方面要求很高，假如全部执行器均采用气压驱动方式，则执行器和传感器会很难布置 [4]。另外因为气动执行器在实现精确轨迹控制方面难度大，所以当前各个研究机构都在集中力量解决执行机构的轨迹控制和多点准确定位问题 [5]。再后来，国际上出现了全电驱动方式，电动驱动方式的优势是： （1）电瓶直接可以作动力源， 不增加附加装置，消除了液压系统里油源布置困难的影响，而且无污染； （2）用一个交流伺服电机就能替换一个油缸或气缸，控制了成本，简化了结构，且保证了可靠性； （3）可实现电传动。电机的起动力矩和制动力矩都很大，故起动与制动时间变短、响应速度变快、定位变得更精确； 随着科技进步，从全电驱动方式中衍生出了由电机实现直线直接驱动机器人的驱动方式。上世纪90 年代伊始，缘于直线电机可以直接产生直线运动，且系统刚度高，快速响应性好，高速情况下可实现精确定位，所以直线电机驱动技术逐步成为新一代高精度数控机床领域里最有代表性的先进技术之一，该技术大幅度的提高了机床进给系统的快速反应能力和运动精度。所以，从制造业开始到其他工业行业，直线电机技术逐渐在应用与研究中成熟起来。电机伺服控制技术是近年来新出现的驱动技术，其优点是能使控制速度和位置精度非常准确。在此基础上的直线驱动方式则极大地优化了传统驱动方式的不足，直线电机可以直接驱动机器人各执行器，具有高速响应、高精度、动刚度高、速度快、加减速过程短、行程长度不受限制以及效率高等优点[6]。本课题研究的内容就是可用于汽车自动驾驶机器人的驱动机构永磁直线电机。
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