基于ADAMS的差速AGV轉彎過程仿真實驗研究

2015-10-30 07:22:02高延峰王承洋

制造業自動化 2015年12期

高延峰，王承洋

（南昌航空大學，江西 330063）

1 仿真實驗目的

自動導引小車（Automatic Guided Vehicle），通常稱作AGV。根據美國物流協會的定義，AGV是指“裝備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規定的導引路徑行駛，具有安全保護裝置以及各種移載功能的運輸車輛。”AGV已成為現代物流系統的關鍵設備，是工廠自動化（FA），倉儲物流（AS/RS）、柔性制造系統（FMS）和計算機集成制造系統（CIMS）等先進生產方式中不可或缺的自動化設備。

本文研究的是一款差速驅動、磁條導引的AGV小車。以往的很多研究已經建立了小車基于理論力學的運動學和動力學模型，但這些研究往往是以小車導航和控制系統設計為目的的，對小車行走過程，特別是轉彎過程中的動力學特性沒有給予足夠的關注。事實上，小車的轉彎是一個十分復雜的動力學過程，它與小車的結構設計、驅動系統設計、行走路徑規劃、搬運載荷等都有密切的聯系。所以，在小車研制階段，充分考慮小車轉彎時的動力學特性是十分必要的。然而，通常情況下，裝備在研制階段，主要采用實體樣機進行行走實驗和調試。這種方法耗時長、成本高，實驗過程和測試結果也往往不夠全面。基于虛擬樣機技術的仿真實驗可以很好的解決這個問題。通過AGV轉彎過程仿真實驗研究，可以詳細了解小車轉彎的動力學特性及其影響因素，并為小車的研制與調試提供理論實驗數據。

2 仿真實驗方案

2.1 仿真實驗工況

為了更加真實地反應小車的工作環境，也為了分析方便，對仿真實驗作如下設定：

AGV一般在廠房內使用，路面平坦，速度也較低，所以設定小車在水平路面上勻速行駛，忽略空氣阻力；載荷設定為小車的額定載荷300公斤；為了更加完整地仿真小車的行走特性，設定小車的運動過程為先直線行走，再向右做直角轉彎，最后恢復到直線行走狀態。

2.2 實驗方案

本仿真實驗主要研究轉彎半徑對小車行走特性的影響，為此總體上按以下兩步進行。

首先，設定載荷位于小車上頂面型心，轉彎半徑和行駛速度適中，觀察小車的行走過程，分別測量四個萬向輪和兩個驅動輪與地面的接觸力，和左右懸掛彈簧的彈力，分析直線和轉彎過程不同的行走特性。

其次，設定載荷位于小車上頂面型心，觀察小車在不同的轉彎半徑下的行走過程，分別測量四個萬向輪和兩個驅動輪與地面的接觸力，和左右懸掛彈簧的彈力，分析轉彎半徑對小車行走特性的影響。

3 自動導引小車建模

3.1 幾何模型建模

采用SolidWorks軟件建立小車的幾何模型。該幾何模型是面向分析的，與面向設計的模型有不同的方面，因此需要注意兩點。其一是要適當的簡化。機械系統中的很多元素，如較小的倒角和圓角、螺紋、孔徑較小的孔、螺栓等標準件，它們的存在會大大增加動力學模型的求解難度，明顯降低求解速度，還有可能產生不可預知的問題，造成無法求解，但同時實際情況下，它們對機械系統的動力學性能幾乎沒有影響，所以，往往在建立幾何模型時就將這些元素簡化。其二是運用多實體建模技術。在SolidWorks中，常見的工程文件類型包括零件、裝配體和工程圖等。在ADAMS中，幾何模型是以構件（part）為基本單元組織的。當將SolidWorks的裝配體文件導入到ADAMS后，每個零件對應著一個構件。對于一些結構比較復雜的機器和機構，往往有幾十甚至上百個零件組成，但具有相對運動關系的卻只有很少的幾個零件。這時采用多實體建模技術可以大大提高建模效率，減小發生錯誤的可能性。

如圖1所示，小車的行走機構由8個腳輪組成，按中心對稱布置。中間兩個是驅動輪，通過懸掛系統與車體柔性連接，四個角各有一個萬向輪，直接安裝在車體上。

圖1 AGV物理模型

3.2 物理模型建模

3.2.1 車輪模型

車輪模型主要包括四個萬向輪和左右兩個驅動輪。由于車輪與地面的接觸是小車系統與外界的唯一聯系，運動過程中的所有外力（不包括搬運載荷）、振動和沖擊都是經過車輪和懸掛系統傳遞到小車車體上的，所以車輪模型對仿真實驗的準確性有著極為重要的影響。這里采用接觸（contact）定義車輪模型，通過設定接觸剛度（Stiffness）、阻尼（Damping）、指數（Force Exponent）、切入深度（Penetration Depth）等參數，使其與真實腳輪相似。

3.2.2 懸掛系統模型

懸掛系統模型比較簡單，主要包括左懸掛和右懸掛。左懸掛由并排的兩個豎直方向的圓柱彈簧構成，設定彈簧剛度為12.3N/mm，自有高度90.3mm。右懸掛處理與左懸掛相同。

3.2.3 模型驗證

完成物理模型后，利用model topology map命令和model verify命令，讀取和驗證整體模型的拓撲結構、約束、自由度等信息。

4 轉彎過程仿真實驗

4.1 直線與轉彎對比實驗

根據前文實驗方案的第一步，在ADAMS軟件中通過STEP函數控制左右驅動輪的轉速，實現對小車運行速度的模擬，使小車直線行駛2s后，以半徑800mm向右轉彎90°，再直線行走2s。同時在整個仿真過程中，在小車上頂面型心處施加300kg的集中力，以模擬負載。具體函數設定如下（角度單位是弧度）：

左輪轉速： S T E P(t i m e，2，-1，2.5，-2.3)+STEP(time，10.1，0，10.6，1.3)

右輪轉速：-1

設定仿真時間為12.6 s，目的是使小車正好完成90度的轉彎，仿真步數（Steps）100步。

4.2 轉彎半徑對行走特性的影響實驗

根據前文實驗方案的第二步，采用ADAMS的優化設計技術，測試不同轉彎半徑下的行走特性。如圖2所示，點P是小車型心在水平面內的投影，點O是轉彎軌跡的原點，點N是右側驅動輪的中心，L是驅動輪之間的輪距，本文中L=630mm。

按以下三種情況分別實驗：點O在點N的右側，此時R>L/2，稱為情況Ⅰ；點O在點P和點N之間，或者與P重合，此時0≤R

圖2 轉彎半徑示意圖

4.2.1 情況Ⅰ仿真實驗

設定載荷位于小車上頂面型心處，并建立設計變量（Design Variable）m，含義是左驅動輪轉速與右驅動輪轉速之比，通過改變m的水平值控制轉彎半徑R，它們之間的關系是：

根據式(1)建立仿真實驗數據表，如表1所示。

表1 情況Ⅰ仿真實驗數據表

從表1中可以看到，設定的半徑水平值并不是均勻變化的，這主要是因為轉彎半徑較小時，行走特性會發生明顯的變化，采用更小的間隔有利于測試這一區段的特性。

為了使小車在不同半徑下能夠按照工況規定運動，左右驅動輪的旋轉運動設定必須參數化，具體函數如下：

左驅動輪：

STEP（time，2，-1， 2.5，-m）+STEP（time，2.5+9.9/(m-1)，0，3+9.9/(m-1)，m-1）

右驅動輪： -1

仿真時間也須參數化，設定為[5+9.9/(m-1)] s，仿真步數（Steps）100步。

4.2.2 情況Ⅱ仿真實驗

此時左右驅動輪旋轉方向相反，轉速比m為負值。m與R的對應關系如表2所示。

表2 情況Ⅱ仿真實驗數據表

為了使小車在不同半徑下能夠按照工況規定運動，左右驅動輪的旋轉運動設定必須參數化，具體函數如下：

左驅動輪：

STEP（time，2，-1，2.5，m）+STEP(time，2.5+9.9/(-m+1)，0，3+9.9/(-m+1)，-1-m)

右驅動輪：

STEP（time，2，-1，2.5，1）+STEP(time，2.5+9.9/(-m+1)，0，3+9.9/(-m+1)，-2)

仿真時間也須參數化，設定為[5+9.9/(-m+1)] s，仿真步數（Steps）100步。

4.2.3 情況Ⅲ仿真實驗

此時轉彎軌跡的原點正好位于右驅動輪中心處，轉彎半徑R=315mm，右驅動輪的轉速為0。

設定左右驅動輪的旋轉運動函數如下：

左驅動輪：-5

右驅動輪：STEP(time，2，-5，2.5，0)+STEP（time，,4.5，0，5，-5）

設定方針時間1.98 s，仿真步數（Steps）100步。

5 仿真結果分析

5.1 轉彎與直線行走對比仿真實驗結果分析

圖3是左側驅動輪牽引力—時間曲線圖。圖中實線表示小車全程勻速直線行走，虛線是按實驗工況要求，完成直線—轉彎—直線的行走過程。從圖3中可以看出，直線行走時，牽引力保持在一個較小的值不變，但在2.5s左右入彎，和在10.6s左右出彎時，牽引力陡增至直線行走狀態的10倍左右，而在它們之間的穩定轉彎過程中的牽引力約是直線行走時牽引力的1到2倍。可見轉彎運動對小車的驅動系統提出了更高的要求。

圖4是按實驗工況要求行走時，萬向輪的側向力—時間曲線圖，它的變化趨勢與圖3中的牽引力變化趨勢保持一致。轉彎時萬向輪所受的在旋轉平面內的滾動阻力并沒有明顯的變化，但側向力顯著增加，特別是入彎和出彎處。這主要是因為各萬向輪在入彎和出彎時存在較大的側偏角，相應產生了側偏力和轉彎的阻力距，這也正是轉彎時牽引力增加的原因。

圖3 直線與轉彎行走牽引力對比曲線圖

圖4 轉彎行走萬向輪側向力曲線圖

5.2 轉彎半徑對行走特性影響實驗仿真結果分析

5.2.1 情況Ⅰ仿真結果分析

圖5中，縱軸是左側驅動輪牽引力，橫軸表示時間。圖中總共有15條曲線，分別對應于表1中的15個轉彎半徑。圖6中的縱坐標是從圖5中得到的仿真過程中牽引力的最大值（即入彎和出彎時牽引力的峰值），橫坐標是轉彎半徑。

如圖6所示，牽引力峰值隨轉彎半徑減小，呈現出先增大后減小的趨勢，并在半徑等于370mm時達到最大值。這是各萬向輪所受阻力與轉彎離心力相互抗衡的結果。前者使牽引力增大，并在轉彎半徑較大時起到主要作用；后者會減輕牽引力的負擔，并隨著轉彎半徑的減小和轉彎角速度的增大，它的作用越來越明顯，最終使牽引力下降。

此外，當半徑較大時，牽引力的增長是由緩趨急的，這與萬向輪切角隨轉彎半徑的變化相符。