无人车智能机器人的姿态控制装置的设计说明书

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1、XXXXXXX设计（XX） 题 目： 无人车智能机器人的姿态控制装置的设计学 院： 专 业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 二XX 年 6 月 8 日设计（XX）摘 要随着科学技术的进步和生活方式的改变，使机器人技术在当代社会得到了迅速的发展，其中汽车技术与机器人技术的结合成为研究学者主要的研究内容，而结合之后的无人车姿态控制则是整个问题的主要部分，针对这一问题，本文主要做了这几个方面的研究。首先通过加深对无人车智能机器人的姿态控制的了解，为了实现其姿态控制装置的设计，则需分析设计出一种可以实现各种基本运动方式的无人车智能机器人，并分析其方案的合理性，为了达到实现各种运动方式的这一目的，本

2、文经过分析讨论之后采用麦克纳姆轮这一特殊的车轮形式，之后使用UG等软件进行简易无人车的各个部位的设计及最后的整体装配。其次在完成车体设计之后使用该软件对所设计的简易无人车进行运动仿真，并对其运动仿真结果进行分析讨论，给出各种运动方式的实现方案，例如其各个运动受力分析、不同运动方式的控制方法、其中的电动控制部分等，同时分析其实现的合理性。最后做出建议数学模型的建立，并通过对整个设计过程的进一步细化完成无人车智能机器人的姿态控制装置的设计。实践操作表明，该设计方案可以满足无人车智能机器人的基本运动姿态的控制。关键词：无人车智能机器人；麦克纳姆轮；UG；运动仿真AbstractWith the pr

3、ogress of science and the change of life style, the robot technology has been developed rapidly in contemporary society. The combination of automobile technology and robot technology has become the main research content of many research scholars, and the combination of unmanned vehicle attitude cont

4、rol. It is the main part of the whole problem. In view of this problem。this article mainly has done these research. First of all, by deepening the understanding of the attitude control of the unmanned vehicle intelligent robot, in order to realize the design of attitude control device, it is necessa

5、ry analyze and design a simple unmanned car which can realize various basic movement modes and analyze the rationality of the scheme, In order to achieve purpose of achieving a variety of sports, this article after analysis and discussion using Mecanum wheel of this kind of special wheel form, after

6、 the use of UG and other software to carry out the design of the various parts of the unmanned car and the final assembly. The secondly, after the completion of the body design, the software is used to simulate the designed unmanned vehicle, and the simulation results are analyzed and discussed. The

7、 scheme of the various modes of motion is given, for example, the control method of the movement mode, the electric control part and so on, and analyzes the rationality of the realization. Finally, the establishment of the simple mathematical model is made, and the design of the attitude control dev

8、ice of the unmanned vehicle intelligent robot is completed by further refinement of the whole design process. The results show that the design scheme can meet the basic motion attitude control of the unmanned vehicle intelligent robot.Key words: unmanned car intelligent robot; Mecanum wheel; UG; mot

9、ion simulation目录1.绪论11.1本课题研究的目的和意义11.2无人车智能机器人的发展状况21.3课题研究的主要内容及结构安排31.3.1探索国内外无人车智能机器人的姿态控制的种类31.3.2可行性方案和实施步骤41.3.3姿态仿真分析及简易数学模型的建立41.4本章小结42.简易无人车智能机器人的结构研究及设计52.1无人车控制方案的种类及选择52.2无人车车轮的选择及设计62.2.1现有车轮的种类62.2.2两种轮子的优缺点及选择62.2.3麦克纳姆轮的原理及三维立体设计模型72.3车体的设计112.3.1车体底盘的设计及三维立体模型112.3.2车身减震器的设计简述122.

10、4无人车整体的设计及装配132.4.1整体设计132.4.2无人车整体装配152.5本章小结153.无人车智能机器人的姿态研究及软件仿真153.1无人车各种运动方式的讨论及运动分析163.2实现无人车各种运动方式的控制方法193.3使用UG软件进行运动仿真193.4本章小结194.无人车简易数学模型的建立194.1车体底盘运动的分解204.2麦克纳姆轮的轴心位置的速度计算204.3进一步计算车轮上辊子的速度214.4车轮速度的计算224.5本章小结245.总结与展望24参考文献26致谢281. 绪论无人车智能机器人的姿态控制装置的设计：指的是通过研究一种可以实现各种车辆基本运动方式的无人车智能

11、机器人，针对其各种运动姿态来分析讨论其控制方法，并对各种运动的受力及控制进行论证，最后对该小车建立简单的运动学模型。1.1 本课题研究的目的和意义随着当今各种科学技术的进步，人们的生活水平也在进一步的提高，从而社会需求也就随之提高，而如今的机器人技术也得到了迅速的发展，就目前来说1，这类技术已经慢慢渗入到人类社会生活的各个方面，在这之中，智能机器人技术与汽车技术的结合可以说是这一领域中一个很重要的研究方向。伴随着科学技术的进一步发展与人们生活需求的提高，无人车智能机器人的研究也就愈发的显得重要起来，与此同时，该技术的发展也能更好的适应未来社会的交通需求。无人车智能机器人技术作为结合了机械、电子

12、、计算机、控制、传感器、仿生学和人工智能等多学科理论和技术为一体的科学，在这其中的所谓的智能主要是指无人车在选定的一类特定的环境中可以依靠之前就设定好的模式来完成各种的任务，在这期间无需人为的干预，无人车本身就可以达到预期的甚至于更高的目标及要求。无人车智能机器人就是这之中一个很好的体现，它本身集合了环境感知、决策规划、自动行驶等各种功能于一体。目前来说，因为各种技术的水平的提高，以前仅仅为理论的知识可以慢慢变为现实，而且就现在来说，机器技术代替人工已经成为不可逆转的趋势，各国也在加快在机器人这一方面的研究进程，这也是科学技术最初的目的，用来为人们自身所服务，使人们的生活变得更加方便快捷2。在

13、这之中，无人车智能机器人的姿态控制方面的研究可以让本来不可控的无人车自动驾驶变得可测及可控，就本来而言，对于人类车辆驾驶员来说，本身的车辆驾驶技术受到多方面的限制，这之中包括：本身的车辆驾驶技术、对车辆自身性能各个方面的了解及掌控、对各种道路的信息的理解能力、司机本身的驾驶习惯、生活习惯、以及当出现道路紧急事故时的应对能力和心理能力等，以上种种的因素都会随着驾驶员的不同而不同，并且可能会差别很大，而我们所说的无人车智能机器人，当设计者在设计它的控制系统时，车辆本身对于外界的感知以及系统对这些感知的处理分析都是通过计算机来处理计算的3，这样的方式就很好的排除掉了车辆驾驶员本身的个人因素的影响，这

14、也就使得车辆本身的各种实时情况得到了可预测的可能性，这一点原因对于驾驶车辆的安全出行方面有着毋庸置疑的好处。而另一个原因则是，当面临各种高危的领域，人类本身就有着无法克服的限制因素，在这种对人会有很大伤害更甚于说是人类无法进去的环境下，无人车智能机器人的姿态控制研究则可以使无人车的运动更加拟人化，从而使得无人车可以完全的代替人类去完成在这种环境下的作业及任务。1.2 无人车智能机器人的发展状况从上个世纪的50年代起，美英德等国就已经开始了在无人车智能机器人这一领域的研究工作，并且他们也在无人车的控制使用及商业用途等方面取得了一定的成绩，在这之中，对于制造业及其发达的德国来说，各大汽车公司对于在

15、普通道路上可以行使的无人车进行了大量的研究工作，并与许多高校的汽车专业联合起来一起开发这类无人车。就目前来说，欧盟之中已经早就有了一个名叫CyberCars的无人车项目在实行当中4，主要目的就是推动无人车方面的研究以及促进欧盟各国之间的信息共享。美国作为后来者，在上个世纪50年代开始对无人驾驶车辆的研究，在1980年的时候，其无人车技术得到了极其迅速的发展。上个世纪八十年代，由美国陆军与国防高级研究计划局一起合作，开展了名为自主地面车辆的项目。在1995年的时候，由卡耐基梅隆大学自主研制的Navlab-V智能车辆，完成了横穿美国东西部的无人驾驶车辆实验。而美国国防部门于上个世纪九十年代末期开始

16、了DEMO系列无人驾驶车辆的研究设计，对于这个系列总共研制出来十代无人车5。另一方面，欧洲各国的无人驾驶车辆技术在世界上同时也是领先水平，在无人驾驶车辆领域及其附带衍生出的各类领域中，他们都进行了很多的科学研究工作，就比如其中的PROMETHEUS计划和PREVENT计划。于1987年到1995年间，PROMETHEUS计划都是欧洲在无人驾驶车辆技术方面最大的研究项目，该项目的领军人Ernst于1994年带领该项目组研制出来的VaMP和VITA机器人车辆在法国境内的高速公路上行驶了一千多公里，并且该车辆可以自主完成变道、超车及跟踪行驶，该车辆的最高行驶速度可以达到每小时一百三十公里。Ernst

17、于1995年又重新对奔驰自助车进行了设计，进行了一千六百公里的行程测试，该车辆的最高速度达到了每小时一百七十五公里。当然，在二十世纪的八十年代开始，我们国家的部分高校也开始了无人驾驶车辆的研究工作，这之中由于各种原因，我们国家在这类科学研究上起步比较晚，但也取得了一定的研究成果。就目前来说，在我们国内，从事无人驾驶车辆这方面的科学研究的主要是国防科技大学、军事交通学院以及清华大学等一些科研机构6。1991年由国防科技大学所自主研究设计的无人车控制系统在低速的情况下已经可以完成自主驾驶；2000年在基于BJ2020搭建的无人车实验平台上，研究设计的无人智能车辆在高速公路上已经可以实现在给予预设的

18、路径下，该无人智能车可以实现每小时七十五点六公里的速度的道路跟踪；2003年国防科技大学与一汽集团联合起来，以红旗车为实验所用的试验车体，设计并完成了无人驾驶智能车控制系统，该车辆在高速公路上实现了每小时一百七十公里的车速，与此同时，完成了超车任务，至此，标志着我国的无人车自主驾驶技术已经达到了国际先进的水准。1990年以后，各个著名汽车公司也开始了对车辆的智能化的研究，而他们的主要出发点在于进一步提高车辆的安全性和舒适性这一方面来进行研究设计，于是大部分的高档车辆也就有了车道巡航跑偏警告，自动泊车等人性化功能。我国的机器人技术的现状目前还处于仿制的阶段，而机器人的应用更是还处于起步的阶段，机

19、器人机器学的研究工作也取得了不少的研究进展，这其中不乏一些已经达到甚至于超过国际先进水平的理论研究成果1，但就总的来说，我国的无人车技术还没法做到系统的、全面的指导机器人整体的设计，一些先进的研究成果一时半会还很难直接用于生产国产样机。由上面的资料可知，当前我国的机器人技术与车辆技术都还处在很落后的地位，虽然我国许多高校或者是研究所在这一方面的理论技术已经达到了国际上所认可的先进水准，但由于种种原因，我们国家在将理论转化为实践上的技术水平还比较落后，与那些制造强国来比，还差的太远。因此，我国目前的最紧要的任务在于提高我国自身的制造技术，虽然我们的理论技术和别人可以赶上甚至于与其同步，但理论知识

20、再深厚，没有实际的制造能力也不行，所以说，我们需要在生产与应用这两个方面加大研究力度，提高在机器人领域的国产产品的可靠性与安全性，在加强我们自身的理论知识的同时，必须进一步的加快我们自身对于这些理论知识的应用，对于机器人技术及车辆技术结合的问题上，需要以目前的市场需求为导向，努力加快加强技术创新，产品创新，对国产产品加大研发力度与生存力度，针对消费者的需求而加强改进，在不断加强自身实力的同时，为增强我国的综合国力，实现伟大的中华民族的中国梦儿努力开拓向前7。1.3 课题研究的主要内容及结构安排在了解课题内容之后，通过进一步的与老师进行探讨和自主查阅资料加深自己对该课题的了解，针对本课题任务所给

21、出的任务书做出自己对课题研究所了解的大致进程及分析过程与方法。1.3.1 探索国内外无人车智能机器人的姿态控制的种类无人车智能机器人经过长期的发展，走过了从方案设计、模型制造、仿真分析、样车制造、性能检测、小批量生产等这一系列的步骤，逐渐形成了两种截然不同的运动控制方式：一种是人为遥控控制车辆，另一种是车辆自主控制车辆。人为遥控控制车辆主要是靠无线或者有线及网络方式通过操作者对无人车的运动进行操控，可靠性强，不易出错，但是这种方法的局限性较大。而另一种车辆自主控制车辆则与其恰恰相反，该种控制方式主要依靠前期无人车设计制造期间，在其车体上配备视觉传感器、激光测距仪等设备来及时了解车体位置，再进一

22、步结合GPS等进行定位，发现障碍信息并反馈给车体中的处理系统，然后由处理系统给出决策，进一步的给出无人车的控制方案，控制其转向及角度等，从而使无人车可以安全、可靠的行驶8。1.3.2 可行性方案和实施步骤针对本课题的研究对象，也可以给出两种姿态控制装置的设计方案，第一种为人为操作控制，这种控制方式需要通过人为操作控制无人车的各类运动，所以主要问题在于无人车的机械设计上。另一种则为无人车自主控制，该类控制方式需要用到大量的传感器及电路系统设计，主要问题在于各类传感器选用与安装控制。经过上一小节分析比较，第一种方案的可行性较大，运动控制更加可靠，同时该种方法更加有利于对无人车进行进一步的姿态控制分

23、析，再结合本课题所需要的专业知识与时间进度上的安排，最终决定选择采用第一种控制方法来进行该简易无人车的设计与分析。该简易无人车的设计的具体实施步骤为：针对所选控制方式决定车体的结构设计；1. 车轮的选择及设计方案；2. 车体的设计；3. 无人车整体的设计及装配。1.3.3 姿态仿真分析及简易数学模型的建立在无人车各个部位及整体设计完成之后，进一步需要使用UG画图软件对各个部位进行三维立体图形的构造，并使用该软件对其进行整体装配，同时做出该无人车智能机器人的运动仿真，针对其各种运动方式做出对应的受力分析，最后对该无人车整体结构构件运动学模型，也就是建立其数学模型。1.4 本章小结本部分内容重点了

24、解了现今无人车智能机器人在世界上各个国家及我国国内的发展状况与发展前景，认识了主要的无人车姿态控制方式，并简略探讨了两种方式的优缺点，基本确定了本课题的设计对象及研究内容，与此同时，对本课题的设计方案进行了步骤的划分，最后对无人车智能机器人在当今及以后各个领域的应用前景做出了简单介绍。随着科学技术的发展，机器代替人工操作已经成为了不可改变的趋势，而机器人技术与汽车技术的结合可以帮助人们解决许多生活上甚至于是军事上的问题，因此本课题研究的无人车智能机器人的姿态控制装置设计至关重要。282. 简易无人车智能机器人的结构研究及设计本课题主要研究对象为无人车智能机器人的姿态控制装置，针对该课题，必须有

25、明确的无人车作为研究对象，才能进行下一步的姿态控制研究、仿真分析以及数学模型的建立。而对于无人车的姿态控制来说，主要为车辆一般的各种运动方式的控制，如：前进、后退、左转、右转等等9，于是也就要求该简易无人车的设计至少需要满足车辆行驶的基本运动方式，而无人车的设计主要有这么几个方面：车体、车轮、电动控制等，所有的部分组合起来就是一辆完整的可用于人工操控的简易无人车智能机器人。2.1 无人车控制方案的种类及选择以上，我们将目前无人车的控制技术主要分为两大类。一类为遥控车辆，遥控车辆主要依靠有线、无线或者其他网络方式通过控制者操控无人车进行远程操控实现车辆的无人驾驶，达到无人的目的。另一类则为自主车

26、辆，自主车辆则基本上无需依靠人为来操控，所以又可以称之为智能化车辆，这类无人车主要依靠安装在车辆四周的视觉传感器、激光测距仪等可以感知周围环境的装置，与此同时，利用现在的车辆导航系统，例如北斗、GPS等来规划路线，通过车体上的这些传感器来反馈给控制层，在控制层进行分析之后，自主给出最合理的路线，来引导无人车完成自己的工作，也就可以实现无人的目的10。而本课题的主要研究内容为无人车智能机器人的姿态控制，说到姿态控制，则主要为车辆本身基本的运动方式的控制，而控制装置也就意味着车辆本身还是离不开人为操控，另一方面，如果采用第二类中的自主车辆，则主要需要的为各种传感器的选择以及安装，而任何的传感器都无

27、法保证其车辆实时信息的采集完整及可靠性，同时这类方法太脱离机械专业层面，而偏向于编程控制方向11。考虑带以上的种种原因，最后决定采用第一类控制方式，人为遥控操作控制无人车的运动。2.2 无人车车轮的选择及设计在目前各个领域所采用的无人车智能机器人中，如果想要控制方法及控制装置尽可能的简单，则需要考虑到全向移动这个问题，如果我们仅仅依靠车轮的选择及设计就可使无人车达到全方位移动的效果，这同时就会大大减少设计控制装置的难度，所以该简易无人车的设计主要是其车轮的选择及设计这一部分12。2.2.1 现有车轮的种类目前所现有的车轮中，可以达到全方位移动这个目的的也就只有我们俗称的“万向轮”了，而“万向轮

28、”又被分为好多种类，其中包括全向轮（omni-wheel）、麦克纳姆轮（Mecanum）、正交轮、偏心方向轮、球轮等13，在考虑各个方面因素之后，我们在本文中主要讨论其中的全向轮及麦克纳姆轮这两种轮子。2.2.2 两种轮子的优缺点及选择以上两种轮子中的麦克纳姆轮可以在不改变车体的原有姿态的前提下实现所谓的全方位移动，承重能力上，由于麦克纳姆轮的不同的支撑方式，所能支撑的重量也就有了很大的可选择的范围，其利用力的合成来实现本身的全方位移动，对地面的要求较高，但其与地面的摩擦力更大，不容易发生打滑，麦克纳姆轮本身主要由两大部分组成：轮毂和辊子（roller），其中轮毂是麦克纳姆轮整个轮子的主体支架

29、，而辊子则是处于车轮圆周上的鼓形装置，其轮毂轴与辊子转轴成45度角，当然了，一般来说在我们制造车轮的时候，各种角度的车轮 都可以有其不同的用途，而我们根据不同的夹角设计可以制作出不同的麦克纳姆轮出来，但其中最常用的还是所提到的45度角14。不过，全向轮与我们所选的麦克纳姆轮在力学特性、结构、运动学的各种性质上都有着很大的不同，而其中的最根本的原因在于辊子转轴与其轮毂转轴的角度的设计的不同。通过分析论证，这两种车轮的力学特性和运动学特性可以用下面这张图表来表现出来：表 2-1 力学与运动学标准万向轮麦克纳姆轮运动学VfVr-Vd-力学FfFr-Fd-随着这类全方位移动车轮在各种领域中应用的越来越

30、多，两者的选择也就很难抉择，不过在大多数的机器人赛事上，麦克纳姆轮的身影则是频频出现，这主要是因为麦克纳姆轮可以同传统的车轮一样，安装在相互平行的轴上，但是如果要是全向轮要完成麦克纳姆轮相同的功能，几个轮毂轴之间的角度则必须是45o、60o、90o、120o等这样的角度才行，而这样的轮子角度的生产和制造相对于麦克纳姆轮来说很明显过于麻烦了，所以当前的许多工业用“万向轮”运动平台的建立都是在使用的麦克纳姆轮而不是去使用的全向轮。综合以上这些一系列的因素15，本课题研究最终决定对于所需要的简易无人车智能机器人将采用麦克纳姆轮这一特殊形式的轮子形式。2.2.3 麦克纳姆轮的原理及三维立体设计模型麦克

31、纳姆轮为瑞典麦克纳姆公司的专利产品，该轮子的全方位移动方式是基于一个有许多位于机轮周边的轮轴的中心轮的原理上，这些成角度的周边轮把轮子受力的一部分机轮转向力转化到一个机轮法向力上面。从而依靠各自机轮的方向和速度，这些力的最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量从而可以保证这个平台在最终的合力矢量的方向上可以自由的移动，但又不改变机轮自身的方向。在它的轮缘上斜向分布着许多的小辊子，因此轮子可以横向平移。小辊子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小辊子的包络线为圆柱面，所以才能保证该轮可以连续的向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮16。利用四个麦克纳姆轮进行

32、组合，就可以更灵活方便的实现所需要的全方位移动功能。基于麦克纳姆轮技术的全方位移动平台可以实现前进、后退、平移、斜方向运动以及组合运动形式，而在此基础上研究设计的全方位车辆及全方位的运输平台非常适合转运空间有限、作业通道狭窄的工作环境，这些对于提高工作效率、空间利用率以及人力成本的降低都有着显著的效果17。麦克纳姆轮的设计结构主要由轮毂以及其上安装的辊子组成，所以该车轮的设计也就主要为轮毂及其辊子的设计，具体的三维立体图样使用UG软件来进行设计装配，以下则为主要部位设计图样及整轮的装配图样：图 2- 1 轮毂轴图 2- 2 轮毂图 2- 3 螺母图 2- 4 辊子轴图 2- 5 辊子图 2-

33、6 车轮整体图 2- 7 车轮爆炸图2.3 车体的设计选择麦克纳姆轮作为本课题所需设计的无人车智能机器人的车轮，因为该车轮凭借不同轮子的受力组合可以实现研究所需的全方位自由移动，那么车体的设计则只需考虑车体上部件的安装及该无人车的减震来进行车体部分的设计，以下则为具体的设计方案18。2.3.1 车体底盘的设计及三维立体模型采用四个麦克纳姆轮来作为该无人车智能机器人的车轮结构，因其不同运动方式需要不同部分的受力组合来实现，而不同车轮的受力大小则由其转速决定，因此该小车所采用的四个麦克纳姆轮均需要单独的电动机来分别控制，那么就需要在车体设计时重点考虑所使用的四个电动机的安装问题19，具体示例如下图

34、：图 2- 8 车体底盘2.3.2 车身减震器的设计简述关于麦克纳姆轮小车的减震问题，因为至今为止麦克纳姆轮小车还无法大面积使用的主要原因之一就是，因为本身车轮的结构问题，所以对于地面的平整程度的要求极其严格，必须保证麦克纳姆轮的使用处于完全平整的地面上，才能保证该类小车的各种基本运动方式的实现，因此对于麦克纳姆轮小车的减震需要不需要做也就一直以来没有定论，在此我们考虑到作为一个完成的小车来说，减震是其必不可少的一部分，所以我们通过改变车轮部位的安装方式来实现车辆的减震，在本课题的其它研究中，则没有引进减震这个概念，主要分析其运动20。由以上分析可知，该无人车的四个车轮分别需要由四个不同的电动

35、机控制，从而使得无人车得到各种运动方式，因此每个车轮都必须与单独的电动机连接在一起，进一步也就表明该无人车智能机器人每个车轮的减震配置都需要独立的减震器来实现减震功能21，因此通过改进上一小节车体上的车轮部位的安装方式就可以实现车体的减震，具体如下：首先需要将原本固定的车轮安装方式改为可动连接方式，其次将车体本身设计为上下两个部分，而这两部分的连接则为减震弹簧，由此该简易小车的减震则可以基本实现，车轮部位的可动连接方式由下图所示装置实现： 图 2- 9 车轮可动连接装置2.4 无人车整体的设计及装配2.4.1 整体设计在无人车的车轮选择及车体设计完成之后，进一步就需要完成该简易无人车的整体的装

36、配设计部分，针对所选择的麦克纳姆轮，一般是四个轮子为一组进行使用，分为两个左旋轮，两个右旋轮，其中左旋轮与右旋轮呈手性对称，而在进行无人车整体装配时，车体上四个麦克纳姆轮的安装方式有很多种，其主要分为：X-正方形（X-square）、O-正方形（O-square）、X-长方形（X-rectangle）、O-长方形（O-rectangle）22。这其中的O与X则代表的是四个麦克纳姆轮与地面接触的辊子所形成的图形，而其中正方形与长方形则指的是四个麦克纳姆轮与地面接触时的接触点所围成的形状。以下则是这四种安装方式的图示和简介：图 2- 10 X-正方形X-正方形：麦克纳姆轮转动时产生的力矩会经过同一

37、个点，因此yaw轴没法主动的旋转，与此同时也没办法主动保持yaw轴的角度。综上所述，一般基本上不会使用该种安装方式。图 2- 11 X-长方形X-长方形：麦克纳姆轮转动时可以产生yaw轴转动力矩，但是这种安装方式产生的转动力矩的力臂一般会比较短。综上所述，一般基本上不会使用该种安装方式。图 2- 12 O-正方形O-正方形：四个麦克纳姆轮位于正方形的四个顶点，无人车整体的旋转运动和平移运动都没有任何的问题，但是这种安装方式因为受限于无人车机器人本身的底盘形状、尺寸等因素，因此该种安装方式虽然比较理想，但是基本上是属于可遇而不可求的，也就不选择采用该类安装方式23。图 2- 13 O-长方形O-

38、长方形：麦克纳姆轮转动时可以产生yaw轴的转动动力矩，与此同时所产生的转动力矩的力臂也比较长，综合所有因素考虑，最终一般选择使用该种安装方式。2.4.2 无人车整体装配在设计选择完无人车的整体的安装方式之后，则需要使用UG画图软件对所使用到的所有零部件进行整车装配，并按照所选安装方式对四个麦克纳姆轮进行装配安装。2.5 本章小结因为本课题无人车智能机器人的姿态控制装置的设计需要使用具体的无人车来进行其姿态的研究及控制，所以本章主要是设计出所需要的简易无人车，本章内容从无人车智能机器人车体大致结构到考虑种种因素之后的车轮选择，再到最后的使用UG软件对各部分的三维立体图样的绘制及该无人车的整车装配

39、。可以说完整的设计出一种可供课题研究使用的无人车智能机器人，通过验证分析，该小车也可以满足研究所需要的各类基本条件24。3. 无人车智能机器人的姿态研究及软件仿真在上一章节完成课题所需要的简易无人车的结构设计之后，本章节需要对设计的无人车的各种基本运动方式进行讨论分析，并在使用UG软件仿真部分的帮助下对所设计的无人车智能机器人进行运动仿真。3.1 无人车各种运动方式的讨论及运动分析本小节主要是对于所设计的简易无人车的各种运动方式的受力情况进行分析，例如：前进、后退、平移、原地旋转、斜方向运动等。而针对各种运动方式的受力情况，我们主要使用以下几个图例来进行分析讨论。麦克纳姆轮为普通圆形车轮沿着其

40、外圆的轮廓，按45度角斜放着许多可以转动的鼓形辊子，当辊子与地面接触时，地面会给车轮45度夹角的摩擦力25，也就是说使沿着鼓形辊子的轴线方向的摩擦力，如图所示： 图 3- 1 前进当车轮需要向前转动时，实线为辊子所受的摩擦力方向，虚线为其各自辊子所受力的分力，由图中可知，前方两辊子所受的摩擦力方向内的分力与后方两辊子所受的摩擦力向外的分力相互抵消，而四个辊子所受到的另一个摩擦力的分力指向均为同一个方向，则该图示为轮子向前方运动26。同理，下图所示轮子为向后方运动：图 3- 2 后退以下则为四个麦克纳姆轮机器小车的其他运动方式受力分析图示：图 3- 3 原地旋转图 3- 4 平移图 3- 5 斜

41、方向运动其中斜方向运动只需控制其对角线方向上的两个轮子同时转动，则可以分别使无人车向四个方向运动。以上则是麦克纳姆轮可以实现全方向移动的基本受力分析。3.2 实现无人车各种运动方式的控制方法经过前面几个章节的介绍，我们可以了解到所设计的简易麦克纳姆轮无人车智能机器人的控制方式为人为操控，通过控制每个轮子所连接的电动机来实现不同轮子的受力组合，从而进一步实现该无人车的各种运动方式，因此由上一小节对各个运动方式的受力分析可知，经过控制哪几个轮子的电动机转动可以实现不同的运动方式，详细如何控制哪几个电动机的组合可参考上一小节中的受力分析27。3.3 使用UG软件进行运动仿真在无人车设计及三维立体图样

42、绘制结束之后，对于该小车的运动需要通过动态来直观的反映出来，因此我们需要使用UG绘图软件中的运动仿真模块对所设计的简易无人车进行运动仿真，并制作出动态图示，详细见附件。3.4 本章小结本章主要是在上一章节中的简易无人车设计结果的基础上，对所设计的无人车进行受力分析，从而验证了所设计的小车可以成功的实现其不同运动方式的控制方法，最后使用绘图软件对所设计的无人车智能机器人进行运动仿真。4. 无人车简易数学模型的建立对于以上无人车的设计，在本章中选择O-长方形的麦克纳姆轮安装方式为例子，其中四个车轮形成一个矩形。而我们通过正运动学模型可以获得一系列的计算公式，从而可以使我们通过得知四个车轮的运动速度

43、，来计算出车体底盘的运动状态；而另一种所谓的逆运动学模型所可以得到的计算公式则为可以依据底盘的运动状态来计算出四个车轮的速度。由分析可知，车体底盘的运动可以分解为三个独立的运动变量来进行描述：X轴平动、Y轴平动、yaw轴自转；同时四个麦克纳姆轮的速度也是通过四个不同的独立控制的电动机来提供的。因此我们可以得知，这四个麦克纳姆轮的合理速度是存在某种约束关系的，从而可以得到使用逆运动学模型可以得到唯一的解，但是相反的，正运动学中则不符合该种约束方式的方程将无解28。由上可得，我们应该先试图建立逆运动学模型，根据采用麦克纳姆轮的车体底盘的实际情况，因其较为复杂，我们在此将其分为四个独立步骤进行：1.

44、 将车体底盘的运动分为三个独立的变量来进行分析；2. 依据第一部分所得到的结果，计算出每个车轮的轴心位置的运动速度；3. 依据第二部分所得到的结果，计算出每个车轮与地面接触时其上辊子的运动速度；4. 依据第三部分所得到的结果，计算出车轮的真实转动速度。4.1 车体底盘运动的分解依据所学可知，每一个刚体在平面内的运动都可以分解为三个独立的变量来进行分析计算，其中分别为：X轴平动、Y轴平动、yaw轴自转。如下面图例所示，本课题所设计的无人车底盘作为刚体，它的运动也可以分解为三个变量：Vtx表示X轴的运动速度，也就是左右方向，在此定义其向右为正方向；Vty表示Y轴的运动速度，也就是前后方向，在此定义

45、其向前为正方向；表示yaw轴的运动速度，在此定义其逆时针为正方向。以上定义的三个变量一般作为车体四个轮子的几何中心（即所围成的矩形的对角线的交点）的运动速度。图 4- 1 运动分解4.2 麦克纳姆轮的轴心位置的速度计算首先定义：为由几何中心指向车轮轴心的矢量； 为车轮轴心的运动速度矢量； 为车轮轴心沿着垂直于的方向上（即该位置的切线方向）的运动速度分量29。那么我们则可以计算得出： (4-1)由上面得到的数据则可以计算得出X、Y轴上的分量分别为： (4-2)图 4- 2 轴向分量同理，依据以上的分析计算结果，我们也可以得到其余三个车轮的轴心的运动速度，具体如下图所示：图 4- 3 整体运动分量

46、4.3 进一步计算车轮上辊子的速度依据所得到的车轮轴心的速度，我们可以沿着辊子方向的速度和垂直于辊子方向的速度，而在图中所示的在计算的时候是可有可无的，其中 (4-3)公式中的是沿着辊子方向上的单位矢量。图 4- 4 单轮4.4 车轮速度的计算由上一小节所得的辊子速度可以进一步的计算得出车轮的速度，其计算公式为： (4-4)图 4- 5 整体依据上图所示的a和b的定义，可得： (4-5)综合以上的四个步骤，我们可以依据车体底盘的运动状态解算出所有的麦克纳姆轮的转动速度： (4-6) (4-7)以上一切的计算结果就是O-长方形麦克纳姆轮车体底盘的逆运动学模型，与此同时，该计算的正运动学模型也就显

47、而易见能够依据以上的逆运动学模型中的三个运动方程解算出来，在此不再具体的相关论述。除此之外，还有一种和上面的方法比起来简单许多的逆运动学计算方式，下面就为该方法的概述。首先，全方位移动麦克纳姆轮车体底盘是一个纯线性的系统构造，而所设计的无人车车体作为一个刚体来说，车体本身的运动又可分解为三个不同的变量，那么我们只是需要计算出麦克纳姆轮沿着X轴平动、沿着Y轴平动、绕其几何中心自转时，四个麦克纳姆车轮分别的运动速度，那我们仅仅使用最基本的加法计算，这样我们也就可以计算出这三种基本运动组合起来运动时所需要的四个麦克纳姆车轮的转动速度。而在计算上面提到的这三种基本运动时，四个麦克纳姆车轮的速度我们可以

48、通过使用测试或者直接通过观察的方法得到30。当车体底盘沿着X轴平移时： (4-8) (4-9)当车体底盘沿着Y轴平移时： (4-10) (4-11)当车体底盘绕着几何中心自转时： (4-12) (4-13)将上面的三组方程累积相加，则与前面介绍的方法得到的结果刚好相同。4.5 本章小结为了研究无人车的车体的运动规律，本章主要建立该无人车的逆运动学模型来分析出该无人车的主要运动参数，并给出其计算公式，将其复杂的数学模型通过分步骤进行简化，易于以后对其进一步的研究分析。5. 总结与展望本课题主要依靠简易无人车智能机器人的设计结果来进行进一步的研究设计，来探讨该无人车的姿态控制装置的设计，从而完成课

49、题要求与任务。无人车智能机器人作为汽车技术与机器人技术两者的结合，涉及的领域从机械设计、计算机技术到电动控制技术、工艺设计等多门学科，一架完整的无人车需要的是各个学科知识的整合与借鉴，随着科学技术的进一步发展，诸如此类的机器人代替人工的技术将会发展的越来越快，近年来，该类技术在军事国防方面的体现也越来越多，越来越重要，而这类无人车智能机器人的应用范围也随之变得更加广泛，诸如：车辆、飞机等不便于自主移动的重型器械的停泊，狭窄不便于操作区域的运动等，而随着进一步的研究，该技术也会变得越来越完善，而对于无人车来说控制方式与种类则是其研究的重中之重。而本文主要完成了以下内容：1. 了解国内外的无人车智

50、能机器人姿态控制的研究状况，通过分析论证，构建本课题的主要进行过程框架，并对每一步的大致进程进行安排。2. 针对本课题所需要研究的无人车智能机器人的姿态控制装置，首先选择并设计出一种可供研究并且可以完成所需内容的无人车智能机器人。3. 依据所设计出的无人车智能机器人，对其进行各种运动方式的讨论及受力分析，并对其各种运动方式的控制方法进行分析，最后使用UG软件对所设计的简易无人车进行运动仿真。4. 对无人车智能机器人的运动建立简易的运动学模型，因其数学模型的复杂而选择对其进行分布分析。因时间有限，本文尚且存在这许多不足，基于目前的无人车智能机器人的发展状况，应进一步在本次研究的基础上建立多个无人

51、车的控制方法的研究,而该项技术对于未来的车辆、飞机等集群控制的研究具有极大的参考价值。参考文献1 阮广凯. 多无人车系统协同控制方法及实验平台设计.北京：北京理工大学，2016.2 吕峰. 无人驾驶智能车控制系统的设计研究.西安：西安工业大学，2014.3 邓子豪. 无人驾驶智能车导航系统的研究与实现.西安：西安工业大学，2014.4 Ye Li,Yanqing Jiang,Jian Cao,Bo Wang,Yiming Li. AUV docking experiments based on vision positioning using two cameras. Ocean Engine

52、ering.2005.5 胡晖. 六轮独立驱动无人车下位机控制系统研究.上海：上海交通大学，2013.6 刘传银. 多无人平台协同作业理论及方法研究.沈阳：沈阳理工大学，2015.7 樊俊杰. 室外环境下基于双目立体视觉的同时定位与建图.北京：中国科学技术大学，2016.8 Corinna Cortes,Vladimir Vapnik. Support-Vector Networks. Machine Learning.1995(3).9 朱株. 基于三维数据面向无人车导航的非结构化场景理解.浙江：浙江大学，2014.10 贾宝芝. 视频导航中的地图生成、障碍检测与行人人脸识别.北京：中国科学

53、技术大学，2015.11 唐国明. 无人驾驶汽车半物理仿真系统的设计.北京：中国科学技术大学，2012.12 杜明芳. 基于视觉的自主车道路环境理解技术研究.北京：北京理工大学，2015.13 沈维佳. 多传感器小车的控制系统设计与研究.南京：南京理工大学，2015.14 Hasan Mehrjerdi,Jawhar Ghomman,Maarouf Saad. Nonlinear coordination control for a group of mobile robots using a virtual structure. Mechatronics.2011(7).15 J.A.K.S

54、uykens,J.Vandewalle. Least Squares Support Vector Machine Classifiers. Neural Processing Letters.1993(3).16 李静,沙宏亮,王伯平,刘巍,刘冠廷.基于液压制动缸压力估算的车辆电子稳定性程序控制算法.吉林大学学报，2010.17 高超，陈家琪.一种汽车ESP仿真模型的研究.汽车工程，2010.18 王祥，田承伟.线控转向汽车传感器的容错控制.吉林大学学报，2010.19 戴宁，崔海华.三维物体表面测量光传感技术.南京航空航天大学学报，2009.20 王伟达，徐向阳.汽车ASR系统控制算法及其

55、硬件在环仿真研究.汽车工程，2009.21 陈南.四轮转向车辆控制系统操纵稳定性道路试验.中国公路学报，2009.22 吴锋.基于双伺电机的电动助力转向器硬件在环仿真实验平台.浙江大学学报，2009.23 何仁.电动液压助力转向硬件在环仿真实验平台设计.长安大学学报，2009.24 刘翔宇.汽车ESP与ASS分层协调控制研究.机械工程学报，2009.25 唐凤举.现代仿真技术与应用.国防工业出版社，2006.26 林逸.汽车系统动力学.机械工业出版社，2005.27 刘良栋.卫星控制系统仿真技术.中国宇航出版社，2003.28 程军.汽车防抱死制动系统的理论与实践.北京理工大学出版社，1999

56、.29 周美立.相似学.中国科学技术出版社，1993.30 王子才.仿真科学的发展与形成.系统仿真学报，2005.致谢从去年年底开始的毕业设计，到现在即将要结束了，回顾这几个月来所做的一切工作，其中既有理论知识的补充，也有对实践能力的锻炼，而这几个月所做的一切工作的结束也同时意味着我们大学生涯的结束，虽然时间有限，在这之间存在着很多的不足与缺陷，但总的来说这几个月的毕业设计也给自己带来了许多的进步。这次毕业设计，也是我大学生涯的最后一次任务。在这最后的时间中，我想对所有这四年来帮助过我的老师和同学说一声谢谢，四年的学习生活，让我们从陌生人变成了无话不谈的好友，彼此相互学习，相互进步，这次毕业设计的彭老师，尽管在四年中的最后的时间里才认识，但在这段时间中，对于彭老师的教导与帮助，我想真诚的说一声“谢谢您”，在大学最后的时间里，我们一起渡过。尽管大学生涯即将落幕，但在学校里留下的所有的一切都将会成为我人生中最美好的记忆，即使也有遗憾，但接下来的生活才是需要我更加认真去面对的，也是我们每一个需要去努力的，在这最后，我真心的祝福所有的同学们，一路顺风，有个更加美好的未来。