温室作业柔性底盘的工作机理与控制策略研究

In order to achieve mechanical cultivation under greenhouse environment with sealed and small venues,this subject develope a kind of flexible chassis on the basis of 4WD and independent steering mechanism consisted the bias steering axis structure,it aiso propose a new type of facility agricultural power machine and its control method which integrates the steering system with driving system. This study investigated the intergration and optimization of independent steering system with multi degree of freedom (DF) under mechanical structure，complicated evironment using modern control theory and microelectronic technology.The focus were following:(1) The optimization of structure parameters of biasing shafts, which provided fundamental data for designing electric wheels.( 2) Movement simulation and central controller systems, which assisted the central controller design of the flexible chassis.(3) The kinetic and dynamic analysis of flexible chassis on pavement.(4) The kinetic and dynamic analysis of flexible chassis on field, which provides the fundamental data of operationperformance. The advantages of this study were that the rigidization problem was solved by utilizing the driving wheel to automaticly track equilibrium position, and that coordination problem between the kinetic signal and control signal of driving wheel was worked out by applying electromagnet-friction locking structure that automatic match the driving torque . The basic multi degree drive performance of the flexible chassis was describled by mechanical structure, working principle of control circuit and experimental investigation of motion and dynamic characteristics on different pavements,it has of great resrarch value both in science and engineering.

为了解决密闭、小场地的温室环境下的机械化作业问题，课题组研制一种基于偏置转向轴结构的四轮独立驱动、独立转向的柔性底盘，提出一种将转向系和驱动系合二为一的新型设施农业动力机械。课题将从机械结构、现代控制理论和微电子技术等方面软、硬结合，研究柔性底盘在多自由度、复杂环境下分散驱动的协调性能及优化方法。主要研究：（1)偏置转向轴驱动轮结构参数的优化；（2)运动仿真与中央控制系统研究；（3)硬化路面运动特性、动力特性研究；（4)田间环境运动特性、动力特性研究。课题一是采用驱动轮自动跟踪平衡位置的方法解决系统的刚性化问题；二是采用电磁摩擦锁结构自动匹配驱动力矩的方法，解决各驱动轮的运动信号与控制信号的协调性问题。本课题从机械结构、控制原理和不同路面的运动特性、动力特性几个方面，阐明多自由度驱动新型底盘的基础数据及性能优化方法，为设施农业动力机械的开发提供设计依据，在科学和工程上都具有重要研究价值。

本项目研究的基于偏置转向轴结构的柔性底盘，将传统动力底盘的驱动系与转向系合二为一，具有斜行、横行和原地转向等传统底盘所没有的运动功能，有望为温室作业和室内运输提供新型动力装备。但四轮独立驱动独立转向的柔性底盘运动控制比传统底盘复杂且难度较大。本项目从偏置转向轴结构参数优化、柔性底盘的系统仿真与控制原理，对不同路面、不同载荷和不同行驶速度条件下，对柔性底盘的运动特性和动力特性进行试验研究，为柔性底盘的控制方法及多源动力装置的协同控制方法提供基础资料。项目试制了2种柔性底盘试验样机，研制了3种试验台用于偏置轴驱动轮和四轮独立驱动独立转向柔性底盘运动特性的试验研究。. 项目取得的主要进展有：设计试制了水平转盘式偏置转向轴驱动轮试验台和柔性底盘试验台，开发了数据采集记录和显示软件。通过试验台测试明确了轮毂电机的转速响应特性和偏置转向轴驱动轮模块的驱动转向特性；设计搭建了基于电桥电路的偏置转向轴自动跟踪转向控制器，通过模拟和试验台测试探明了偏置转向轴模块的自动跟踪响应特性；用水平转盘式试验台测试了2000 W柔性底盘在不同运动姿势下的运动特性与动力特性；完成了半模式控制柔性底盘姿势变化控制方法，研制了柔性底盘控制器并进行了硬化路面实车运行控制试验；设计并试制了额定功率8 kW柔性底盘试验样机和双辊式柔性底盘试验台和测控系统；提出一种基于PWM波的电磁摩擦控制方法，解决了驱动和转向的协同控制问题。. 项目共计投稿、发表学术论文18篇，其中SCI收录论文2篇，EI收录论文4篇，会议论文8篇；授权和申请专利9项，其中授权发明专利1项，实用新型专利4项；培养博硕士研究生11名，其中毕业博士1名，硕士5名；培养本科生18名，其中4人获校级优秀毕业论文。参与项目后续研究的3名博士和2名硕士毕业后，还有近一半成果有待产出。