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一种新型六足气垫靴式软路面车辆的研究
| 论文题名： | 一种新型六足气垫靴式软路面车辆的研究 |
| 关键词： | 软路面车辆;概念设计;气垫靴;非常规行走机构;人工势场法;Mooney-Rivlin模型;正交试验 |
| 摘要： | 提高软地面恶劣复杂环境下车辆的通过性一直是非路面车辆动力学及其控制领域的研究热点及难点。本文在课题组前期对半履带气垫车研究的基础上，创新性地提出一种结合了气垫技术和非常规行走机构两者优势的新型软路面车辆，以期提高车辆在湿软、不平地面条件下的通过性及适应性，并扩展其应用空间。 本文所设计的新型软地面车辆，以一种全新设计的特殊结构的六足气垫靴作为行走机构以提高地面通过性并减小了车辆的接地比压，通过对气垫靴充/放气实现对气垫靴的压强与靴高控制，从而实现车辆的行走和姿态调节。 首先，阐述了该新型软路面车辆的设计思路和工作原理，初步提出了车辆的控制流程及具体设计方案，并对车辆关键结构参数进行了优化，在原理上检验了方案的可行性，以便为原理样机试制及控制算法检验提供参考。 然后，对新型软路面车辆的运动学正问题进行了研究，利用最小能耗原理，推导了车辆在多靴不同速前进时的运动学一般方程；通过几何分析得到了车辆在三角步态下的运动学方程及简化后的函数表达，以便为该车辆的离线周期步态设计和导航算法可行性检验提供依据，并为车辆动力学仿真提供所需要的部分输入变量——车身位姿及落足点坐标。 为了给下一步的车辆控制算法提供最初的周期步态控制信号，并为该后续的导航算法研究提供设计思路，以人工势场法为基础，设计了考虑车辆特殊的转弯方式，能够直接生成控制信号的人工势场——曲率法，并用了模糊控制的思路对该算法进行了改进。 随后，针对行走机构的气垫靴，以理论分析、结合正交设计的有限元仿真及原理样机试验为基础，获得了气垫靴的力——形变理论模型和参数化的线性回归模型。所获得的模型为整车动力学建模和气垫靴结构优化提供了重要参考。 最后，对该六足气垫靴式步行气垫车建立了整车动力学模型，并对步态修正算法进行了初步的设计，验证了控制流程的合理性和可行性。通过整车动力学模型可分析质心高度、俯仰角、侧倾角、各靴的靴高、靴内气压、靴与车身相对位移等状态变量，并可对车身载荷分布、整车消耗的气源总质量等变量进行预测，为步态规划、姿态控制、土壤参数辨识、能耗优化等控制算法设计提供参考。 本文的研究验证了新型软路面车辆方案的可行性，所提出的六足靴式软路面概念车方案可为软路面车辆的设计提供全新的思路和设计空间。 |
| 作者： | 马聪 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 喻凡 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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