AGV的設計計算和不平路況下運行穩定性的仿真分析

文/曹沖振 王洪祥 王鳳芹 闞常凱 許彤然 徐 杰

AGV在承載貨物運行時，當遇到路面不平整的情況，會對AGV的運行平穩性造成影響。所以AGV能否在凹凸障礙路面平穩運行就成為設計時必須考慮的關鍵問題。本文通過建立倉儲AGV虛擬樣機，對其在凹凸障礙路面上運行的穩定性進行仿真分析，驗證了AGV的設計能夠滿足平穩性要求。

一、AGV的機械結構

AGV的機械結構主要由以下五個部分構成：行走系統、減振結構、車架結構、舉升機構和回轉機構。AGV的整體結構，如圖1。

AGV行走系統方案，如圖2：四個萬向輪均不設有減振裝置，驅動輪安裝在單臂式獨立減振裝置上。

減振裝置主要由單臂板、減振彈簧、導向桿、鉸接座、銷軸、連接座等組成，如圖3。單臂板一端與鉸接座通過銷軸連接，另一端穿過導向桿，沿導向桿運動方向壓縮彈簧。

減振彈簧的彈性系數決定了其對地面適應能力的大小，其壓縮量應具有上限，該減震彈簧的彈性系數為K=6.38N/mm，材質選用C級碳素彈簧鋼絲，鋼絲直徑d為4.0mm，總圈數n=10，彈簧中徑D=30mm，節距p=0.3D=9mm。

萬向輪的材料影響其能承載的重量大小，本方案中材料為酚醛樹脂，輪子直徑為65mm，輪寬32mm，萬向輪高度92mm，最大承重300kg，單個重量為0.615kg。萬向輪的轉動阻力應較小，避免倉儲AGV轉動時產生較大的側向力。

二、驅動扭矩計算

所設計的倉儲A G V自重m1=100kg，最大載重量m2=300kg，空載時運行速度最高為2m/s，滿載時運行速度為1.5m/s，最大加速度為0.5m/s2。倉儲AGV在路面運行時需要克服來自地面的滾動摩擦阻力Ff、坡路阻力Fi、空氣阻力Fw、加速行駛時的加速阻力Fj，如圖4。

AGV行駛時的總阻力為：

已知運行地面為耐用型1.5mm環氧砂漿地坪，參考相關數據，地面與驅動輪之間的滾動摩擦系數為：μ=0.018～0.020，取μ= 0.019，總質量為m=m1+m2= 400kg，得：

求得加速阻力：

室內地面坡度α≤3°，求得最大坡路阻力：

圖1： AGV機械結構

圖2： AGV行走系統方案

圖3：減振方案

圖4：AGV行駛時受力分析

圖5：凸起凹坑障礙示意圖

負載時室內最高行駛速度為1.5m/s，Fw空氣阻力可以不考慮。計算總阻力為：

該方案中采用兩個電機驅動，驅動輪半徑r=0.075m，計算所需要總的驅動力矩為：

單個車輪軸所需扭矩：

該倉儲AGV的減速電機扭矩要大于單個車輪軸所需要的扭矩。

三、仿真模型建立

1.模型的導入

由于采用SolidWorks進行機械結構設計，無需轉換格式即可進行運動仿真。啟用Motion工具，生成一個新運動算例，模型即導入仿真環境。導入之后在仿真環境中零件之間的裝配關系仍然存在，各個零件都處于配合狀態，不需要重新確定各個零件之間約束關系和材料屬性等參數。

2.模型參數設置

將倉儲AGV模型導入后：（1）設置重力方向及單位；（2）設置地面的材料為混凝土；（3）添加外力。SolidWorks中模擬實際環境，通過添加引力、AGV的重量、接觸面、壓力等實現。

四、動態穩定性仿真分析

查閱資料，國家標準G B/T20721-2006（自動導引車通用技術條件）對于路面環境有具體要求：路面臺階高度的最大允許值為5mm（含5mm），路面溝寬幅度的最大允許值為8mm（含8mm）。為了能綜合分析驗證所設計結構是否合理，運行過程中倉儲AGV的穩定性是否滿足要求，至少應驗證以下內容：①所計算的驅動減速電機的扭矩是否合理，能否滿足速度、加速度要求；②減振彈簧是否滿足越過不平整路面時的要求，能否使萬向輪與地面不脫離。

為此設計有兩種使用工況：一種是倉儲AGV滿載時，貨架高度2m，載重300kg，重量均勻分布在每一層，運行速度為1.5m/s；另一種是倉儲AGV空載時，無任何載重，運行速度為2m/s。

1.滿載時直線行駛

（1）仿真設置

在S o l i d W o r k s中建立10000mm×10000mm×50mm的方形板，作為場景中的地面，材料為混凝土。在其表面建立凹凸障礙，以模擬實際場景中的凹坑和凸起。在SolidWorks中建模時，凸起為采用凸出半圓柱方式，設其高度為Ht，凹坑為采用凹下半圓柱方式，設其深度為ht，考慮到實際路面狀況可能比較惡劣，所以選取的障礙高（深）度要比國家標準大一些，選取的尺寸如下：凸起障礙高度Ht（單位mm）：5 5 10 10 15 15 20 20

凹坑障礙高度ht（單位mm）：-5 -5-10 -10 -15 -15 -20 -20

凸起凹坑障礙示意圖，如圖5。

相鄰的兩個障礙之間的距離大于一個車身長度，仿真時取間隔距離dt=1000mm。將該路面模型導入到虛擬樣機中，調整好AGV與路面的位置關系，盡量使AGV的驅動輪、萬向輪與地面相切。然后添加接觸關系，并添加靜摩擦力和動摩擦力，動摩擦系數為f =0.019，而靜摩擦系數為fx= 0.5。分別給兩個驅動輪添加驅動馬達，設置AGV以最大速度= 1.5 m/s運行，設置仿真時間為10s。

（2）凸起障礙的仿真結果

查閱相關資料，分析圖中產生的尖點分別對應著多次碰撞，應當忽略碰撞情況的極值，提取出靜態接觸力進行分析。圖6是AGV滿載時的運行速度，經過3s加速至1.5m/s，并保持勻速行駛，經越過障礙物時有輕微波動但是整體很平穩。圖7是AGV依次經過從低到高的凸起障礙時，后萬向輪、驅動輪在豎直方向的豎直跳動位移變化曲線。可以看出，在驅動輪越過前6個障礙（H≤15mm）時，后萬向輪與驅動輪豎直方向的位移變化相近且發生時間交錯，表示越過凸起障礙時萬向輪與驅動輪總能接觸到地面，以保持運行的平穩性。但當遇到越高的障礙（H≥20mm）時，萬向輪豎直位移變化大于20mm（離地狀態），說明此時運行平穩性較差，出現顛簸。

圖6： 越過凸起障礙時運行速度變化

圖7： 越過凸起障礙時萬向輪與驅動輪豎直位移變化

圖8： 越過凸起障礙時驅動輪力矩變化

圖9： 越過凹坑障礙時驅動輪力矩

圖10： 越過凹坑障礙時整體質心位置變化

圖11： 越過凸起障礙時萬向輪、驅動輪豎直位移變化

圖12： 越過凸起障礙時驅動輪力矩

圖13： 越過凹坑障礙時萬向輪與地面接觸力

圖14：車體質心位置變化

從圖8中可以看出，驅動輪所需的扭矩在11N.m附近上下波動，但是經過20mm的障礙時所需扭矩大于18N.m，即所選的電機扭矩滿足障礙小于15mm的路面，但是受碰撞的因素扭矩出現多次較大的峰值。綜合分析該設計方案可以滿足AGV在低于15mm的凸起障礙路面上穩定運行。

（3）凹坑障礙的仿真結果

圖9顯示驅動輪所需的扭矩同樣在11N.m上下波動，驗證了所選的減速電機能越過低于20mm的凹坑障礙。圖10為整體質心在運行過程中的波動，幅度較小表明AGV的運行平穩，且凹坑障礙對其運行的平穩性影響遠小于凸起障礙。該設計方案可以滿足AGV在低于20mm的凹坑障礙路面上穩定運行。

2.空載時直線行駛

（1）仿真設置

除了載荷設置不同，其余設置方式和參數與上述相同。

（2）凸起障礙下的仿真結果

圖11是空載情況下的AGV依次經過從低到高的凸起障礙時，前萬向輪、驅動輪離地面的距離變化曲線。可以看出，驅動輪經過前8個障礙時，前萬向輪豎直方向的位移均小于障礙物高度，表明當凸起障礙為（H≤20mm）時，萬向輪也始終接觸地面，符合減振彈簧設計要求。驅動輪平地行駛穩定扭矩低于8N.m，與計算結果基本一致，如圖12。

（3）凹坑障礙下的仿真結果

圖13是倉儲AGV依次經過凹坑時前萬向輪在豎直方向的接觸力曲線。可以看出其在運行過程中一直保持與地面接觸，但是在經過凹坑時接觸力會瞬間增大，隨著凹坑的尺寸增大，現象越嚴重。圖14表示空載時整個車體質心波動較小，運行平穩，但是仍大于滿載運行時的波動。

五、結束語

對倉儲AGV在不平路況下的平穩性進行了分析，運用三維仿真軟件對倉儲AGV的運動過程進行仿真。仿真結果表明，減速電機的輸出扭矩滿足要求；減震彈簧選取合理，減振機構能使倉儲AGV同時越過凸起障礙（L≤15mm）和凹坑障礙（H≤20mm），并使驅動輪保持有足夠的驅動力，速度穩定、質心波動平穩。從而驗證了所設計的AGV的結構滿足平穩性要求，此研究也對倉儲AGV平穩性的進一步研究提供了一定基礎。