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本科畢業(yè)論文(設計)開題報告 論 文 題 目： 車載穩(wěn)定平臺設計 學 院： 專 業(yè) 、班 級：學 生 姓 名：（職稱）： 年 畢業(yè)論文（設計）開題報告要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質量畢業(yè)論文 （設計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。一、選題依據(jù) 1. 論文（設計）題目及研究領域； 2. 論文（設計）工作的理論意義和應用價值； 3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢。二、論文（設計）研究的內容1.重點解決的問題； 2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）； 3. 本論文（設計）預期取得的成果。三、論文（設計）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）； 2. 論文（設計）進度計劃。四、文獻查閱及文獻綜述 學生應根據(jù)所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎上通過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應在調研、實驗或實習的基礎上遞交相關的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎。 五、其他要求 1. 開題報告應在畢業(yè)論文（設計）工作開始后的前四周內完成； 2. 開題報告必須經(jīng)學院教學指導委員會審查通過； 3. 開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論文（設計）工作，否則不允許參加答辯； 4. 開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教師； 5. 開題報告的內容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。 一、選題依據(jù) 1．論文（設計）題目車載穩(wěn)定平臺設計 2．研究領域 連桿機構設計、剪叉機構、機電一體化 3. 論文（設計）工作的理論意義和應用價值 隨著社會快速的發(fā)展，科技的進步，交通運輸工具的平穩(wěn)度越來越成為人們關注的焦點。如果在交通中平穩(wěn)度達到一定的要求值，就可以大大減少運輸中帶來的交通事故和經(jīng)濟損失。從多方面考慮，針對這一問題提出了一種車載穩(wěn)定移動平臺，主要有兩個方面的運用，一方面運用在快遞公司里，作為一種運輸貨物的智能車，另一方面作為一種自穩(wěn)平衡裝置，運用在大型車輛車廂上。 對于現(xiàn)在的大型快遞公司，存儲倉庫空間和貨物數(shù)量都非常大，貨物的擺放也非常密集，所以需要一個能夠自由旋轉、多方位移動、運輸貨物平穩(wěn)快捷又安全的可升降存取貨物的智能運輸車。對于上述特點的智能車在運輸過程中，能夠使載物平臺始終處于平衡的狀態(tài)，無論在上下坡還是凹凸不平的地面都能使物體安全、保質保量的平穩(wěn)運輸。在有高架臺的存儲倉庫里，此智能車可通過無線遙控器來控制載物平臺升降，并可確定升降高度，更加準確方便的裝卸貨物。智能車的底盤采用最新全向輪裝法，可以任意角度旋轉、多方位移動，更加快速準確方便尋找到貨物。綜合以上功能， 此車載穩(wěn)定平臺在工廠和大型快遞公司上的運用可以極大減少勞動力輸出，減少運輸過程中產(chǎn)品損壞的經(jīng)費，提高貨物的運輸效率，保證貨物的質量。 車載平臺最大意義在于，無論周圍環(huán)境怎樣變化都可以通過調整載體平臺運動和姿勢變化從而始終保持水平（相對大地穩(wěn)定）。針對此特點，①可以在交通運輸上能夠保證自適應自穩(wěn)移動，平臺始終不晃動，減少了運輸途中經(jīng)濟損失、危險事故發(fā)生， 大大提高行車的安全性能。②提供旅游途中舒適的環(huán)境，緩解人們在路途中的疲勞程度，是一個人性化的裝置。③在船業(yè)上，可以實現(xiàn)在海洋上平穩(wěn)航行，為民船和軍事用船提供平穩(wěn)地航海環(huán)境。④可以在火山多發(fā)地震帶地區(qū)，在建筑上運用此原理，從而實現(xiàn)在地震發(fā)生時保持建筑的平穩(wěn)（由于力的提供等原因可能實現(xiàn)起來比較困難）。研究表明，該平臺在很多領域都能起到非常有效的作用。如果平臺裝置能夠投入生產(chǎn)， 將加快交通運輸業(yè)的發(fā)展，提高運輸?shù)男屎蜏p少途中因道路原因導致經(jīng)濟損失、交通事故，進而滿足人們的生活、生產(chǎn)的要求，促進社會的進步。 4. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 穩(wěn)定平臺一直是國內外相關領域研究機構的關注對象, 被廣泛應用于地基、車載、艦載、機載、彈載以及各種航天設備中。大約一百年前,國外的穩(wěn)定平臺就開始被利用起來。到目前，它已被應用在涵蓋科學、軍事、商業(yè)等多個領域，應用于監(jiān) 視、導彈制導、目標跟蹤、槍炮塔控制、通訊、手持相機和天文望遠鏡等各個方面。與國外相比，我國對穩(wěn)定平臺的開發(fā)和研究相對于世界先進國家水平晚了將近十幾 年。我國自主研發(fā)的穩(wěn)定平臺目前使用的慣性元件存在精度較低、嵌入式技術跟不上實際需要等問題。此外，我國在此方面研究歷史較為短暫，總體上落后于歐美發(fā)達國家。但是隨著國內慣性元件、電子技術以及數(shù)字技術的不斷進步和提高，以及涉及的機械設計技術、機構動力學和運動學、傳感器技術、數(shù)據(jù)采集技術、現(xiàn)代控制技術、信號分析和處理技術等多個領域不斷的完善，對穩(wěn)定平臺的研究也越來越重視，正在逐漸縮小與世界上先進國家的差距。 本文研究的車載穩(wěn)定平臺主要應用于交通運輸，工廠貨物裝卸等等。它利用傳感器檢測，單片機控制，直線電動機驅動空間四桿機構形成新型的自穩(wěn)平臺，在很多運載體上代替了傳統(tǒng)的液壓穩(wěn)定或氣缸穩(wěn)定平臺，具有自動化、智能化、控制器數(shù)字化和控制精度高等特點。穩(wěn)定平臺在精確保證運動體臺面平衡的同時，可以任一方向無半徑旋轉，全方位引導系統(tǒng)的運動；另一方面，還可以進行臺面升降，豐富了工作方面。利用計算機系統(tǒng)優(yōu)化了控制，提高了臺面平衡的速度和精度，避免了液壓和氣缸式平臺的平衡速率的局限性，因此具有很強的生命力和廣泛的應用前景。 在未來，該機構除了運用于大型貨物運輸，貨物裝卸外，還有望運用于地震多發(fā)地帶的樓房建設中，使其在地震的晃動中始終保持上層物平穩(wěn)。 二、論文（設計）研究的內容 1. 重點解決的問題 （1） 車載穩(wěn)定平臺的類型選擇 （2） 車載穩(wěn)定平臺的各零件設計和參數(shù)選擇 （3） 繪制車載穩(wěn)定平臺的裝配圖 2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） （1） 車載穩(wěn)定平臺的特點及功能 （2） 車載穩(wěn)定平臺的工作原理 （3） 車載穩(wěn)定平臺的基本結構設計 （4） 車載穩(wěn)定平臺的結構參數(shù)計算及校核 （5） 車載穩(wěn)定平臺的力學分析 （6） 繪制車載穩(wěn)定平臺的零件圖、裝配圖 3. 本論文（設計）預期取得的成果 結合具體設計要求，通過學習及查閱資料，全面了解車載穩(wěn)定平臺工作原理和結構，完成平臺總體結構設計及相關功能部件的設計，最終完成設計說明書，包括：緒論、正文、結論、參考文獻 設計圖紙，包括：零件圖、裝配圖外文翻譯一份 三、論文（設計）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）； （1） 設計平臺機械結構，其組成成主要有四桿機構、升降機構、萬向節(jié)球銷副機構。 （2） 電氣控制部分設計 （3） 底盤運動部分設計 （4） 姿態(tài)解算確定搖桿的位置，建立數(shù)學建模，確定平臺姿態(tài)。 （5） 設計完成之后，通過 matlab 軟件仿真，得出平臺在不同運動狀態(tài)下的各個參數(shù)的曲線變化情況，計算出系統(tǒng)的特性，是否滿足設計之初的要求。 2. 論文（設計）進度計劃 第一周：分析題目，查找文獻，確定寫作思路。第二周：分析論文寫作重點，確定提綱。 第三周：分析歸納有關文獻，確定論文研究方法，撰寫開題報告。第四周：完成開題報告材料，進行網(wǎng)上填報。 第五周：進行開題報告答辯。第六周：平臺結構設計。 第七周：平臺裝置系統(tǒng)的硬件設計。第八周：電氣控制部分設計。 第九周：底盤運動部分設計 第十周：平臺精確定位算法設計。第十一周：完成論文初稿。 第十二周：修改論文。 第十三周：完成論文終稿。 第十四周：提交論文、準備答辯。 四、需要閱讀的參考文獻 [1] 胡壽松.自動控制原理［M］.北京:科學出版社,2001.2. 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Phys,.2015,05: 338, 523–532. 附：文獻綜述 文獻綜述 引言 穩(wěn)定平臺可以消除載體運動和干擾力矩的影響,可以獲取對平臺變化的動態(tài)數(shù)據(jù), 通過反復的調整確保動態(tài)姿態(tài)符合標準。因此,穩(wěn)定平臺廣泛的應用于各行各業(yè)中,其也成為當前國際上研究的重點課題。無論是在民用還是在軍用中，車載穩(wěn)定平臺的研發(fā)越來越迅速，也越來越迫切，比如在交通管制偵測技術以及民用檢測上，雷達車的穩(wěn)定平臺、以及裝甲車坦克上的瞄準平臺，一系列的需求促使了車載穩(wěn)定平臺的迅猛發(fā)展。也使得車載平臺的應用越來越廣泛，要求也越來越高。平臺是一種用于運輸或搬運貨物的自動化機械設備。在任何路況下都能自動調節(jié)平臺角度，始終保證平臺相對于地面水平的機構。人們利用手柄控制其運動方向，可進行 360°無死角運行。該平臺為物流運輸業(yè)帶來了較高的質量保證，為工廠中的商品搬運帶來了優(yōu)質的工作效率，減少了勞動強度，且縮短了完工時間，大大滿足了搬運業(yè)在防護上的要求。 一、 國內外車載穩(wěn)定平臺的概況與發(fā)展前景 隨著國家經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的技術水平不斷提高，交通運輸工具的平穩(wěn)度越來越成為人們關注的焦點。對于一些易碎易損壞或者其他對運輸條件要求較高的特殊物品來說，保持運輸貨物的完好性和安全性，是現(xiàn)代物流業(yè)中最為重要也是最棘手的問題。對于貨物運輸來說，使貨物在運輸過程中更加安全，減少貨物不必要的損壞，降低運輸廢品率和物流公司賠償率十分重要。對于運輸人員來說，車載穩(wěn)定平臺可減少由于道路不平引起的顛簸感，尤其在山路行駛中更為適用。滿足人們在行駛途中所希望的平衡感從而提高旅途舒適度，降低疲勞程度。 與國外相比，我國對穩(wěn)定平臺的開發(fā)和研制相對于世界先進國家晚了將近十幾 年，自主研發(fā)的穩(wěn)定平臺使用的慣性元件存在精度較低等問題，嵌入式技術也遠遠跟不上實際需要。此外，我國在此方面研究歷史較為短暫，總體上落后于歐美發(fā)達國家。但是隨著國內慣性元件的研究、電子技術以及數(shù)字技術的不斷進步和提高，涉及機械設計技術，機構動力學和運動學，傳感器技術，數(shù)據(jù)采集技術，信號分析和處理技術， 現(xiàn)代控制技術等多個領域不斷在完善。對于穩(wěn)定平臺的研究也越來越受重視，正在逐漸縮小與世界上先進國家的差距。 本文研究的車載穩(wěn)定平臺主要應用于交通工具，工廠貨物裝卸等等。它利用傳感器檢測，單片機控制，直線電動機驅動空間四桿機構形成新型穩(wěn)定平臺，在許多運動載體上代替了傳統(tǒng)的液壓穩(wěn)定或氣缸穩(wěn)定平臺，具有自動化、智能化、控制數(shù)字化和控制精度高等特點。此穩(wěn)定平臺在精確保證運動體臺面平衡的同時，可以任一方向無半徑旋轉，全方位引導系統(tǒng)的運動；另一方面，還可以進行臺面升降，豐富了工作方面。利用計算機系統(tǒng)優(yōu)化了控制，提高了臺面平衡的速度和精度，避免了液壓和氣缸式平臺的平衡速率的局限性，因此具有很強的生命力和廣泛的應用前景。 二、 車載穩(wěn)定平臺結構設計 在車載穩(wěn)定平臺隨動系統(tǒng)設計中提到的穩(wěn)定平臺的機械部分的主體結構如下：底板外形尺寸為：380×220×10（mm）；外框采用的是 O 型結構，具有良好的剛性，其兩端分別支撐在基座上的支撐臂上，其外形尺寸為 180×160×50（mm），壁厚 8mm；內框也為長方形盒體結構，盒體內用來安裝姿態(tài)傳感器，其外形尺寸為 120×130× 65（mm）?；灸Ｐ腿鐖D 1 所示： 圖 1 基本模型圖 其穩(wěn)定平臺借助姿態(tài)傳感器測量的數(shù)據(jù)，能夠計算出平臺的傾斜程度，然后該數(shù)據(jù)信息能夠被傳遞到處理器中，經(jīng)過單片機數(shù)據(jù)處理，然后輸出控制信號，控制驅動電機驅動平臺軸轉動，使得平臺臺體的姿態(tài)能夠及時調整，維持整個平臺的平穩(wěn)性， 達到消除載體擾動影響的目的。 在船舶液壓穩(wěn)定平臺設計中提到：目前常用的船舶液壓穩(wěn)定平臺大多可以補償船舶的橫搖和縱搖,例如,圖 2 所示的兩自由度液壓穩(wěn)定平臺采用了四點支撐調法： 圖 2 四點支撐調平圖 這是一個典型的兩自由度液壓穩(wěn)定平臺,但它只能補償船舶的橫搖和縱搖。船舶在海上還存在明顯的垂蕩運動,同樣會影響船載設備的正常工作,這就需要對船舶垂蕩運動進行補償。因此, [4]在穩(wěn)定平臺結構設計中,在四點支撐調平法的基礎上,在平臺下方加入一個剪叉機構,由一個液壓缸驅動,從而可以控制平臺的升沉,對平臺的垂蕩運動進行補償。于是,兩層的液壓平臺變成了三層,如圖 3 所示： 圖 3 穩(wěn)定平臺圖 穩(wěn)定平臺是指能夠使被穩(wěn)定對象在干擾作用下相對慣性空間保持方位不變,或在指令力矩作用下按給定規(guī)律相對慣性空間轉動的裝置。其功能是利用慣性測量系統(tǒng)和慣性測量元件檢測運動載體的運動狀態(tài),通過執(zhí)行元件自動調整平臺臺體的姿態(tài),克服運動載體的姿態(tài)變化,滿足設備使用要求。主要由平臺框架、驅動傳動機構、傳感器裝置和伺服控制單元組成。 而本篇所述的穩(wěn)定平臺是由兩組正交式四桿機構組成。用一個行程 150 mm、24V 直流直線電機驅動，使主動件以鉸鏈為圓心在一定角度范圍內往復擺動。支柱下端用法蘭盤連接固定在機架上，上端和萬向節(jié)連接作為平臺的支撐點，在 x 軸方向上作旋轉運動。萬向節(jié)是由兩個球銷副組成，分別控制著 x 軸和 y 軸方向上的運動。連桿與平臺之間用兩個軸承和一個軸組合鏈接，構成局部自由度。此結構能夠在有效的時間里進行平臺角度調整，并始終保持平臺穩(wěn)定平衡。各個機構在滿足自由度條件下準確完成每個動作。高精度萬向節(jié)的使用，使平臺能夠在 x 軸和 y 軸方向上作耦合式型轉動，為平臺的應變能力提供了保證。自制局部自由度的機構，增加一個自由度， 讓整個平臺機構變得更加可控靈活。 此耦合型并聯(lián)穩(wěn)定平臺機構相比其它的平臺機構，最大特點是實現(xiàn)了在同一層調節(jié) x 軸的旋轉和 y 軸的側偏。同時利用四桿機構支撐平臺，并進行角度調整，增大了承載的能力。所以，該結構較其他文獻中的結構更適合現(xiàn)代化車輛平穩(wěn)移動的要求， 符合未來交通運輸發(fā)展方向。 三、 結語 綜上所述，穩(wěn)定平臺正在朝著自動化程度高，控制精度高等特點發(fā)展。本文的車載穩(wěn)定平臺以直線電機為驅動器的動力裝置，用具有兩個自由度的萬向節(jié)機構控制平臺在 x-y 軸方向上旋轉來實現(xiàn)載體平臺平衡穩(wěn)定目的的機構，不僅能滿足運輸貨物的質量要求和搬運貨物的人力要求，且市場價值很大，應該是穩(wěn)定平臺未來的發(fā)展方向。 指導教師評閱意見（對選題情況、研究內容、工作安排、文獻綜述等方面進行評閱） 審 核 簽字： 年 月 日 意 見 教研室主任意見 簽字： 年 月 日 學院教學指導委員會意見 簽字： 年 月 日公章： 摘 要 壓縮包內含有CAD圖紙和說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985 汽車或貨車在路面上行駛時，因為所遭遇的路況有所不同，會出現(xiàn)一些可以預見的諸如車體顛簸、搖晃、傾斜等情況，由此容易使車內所載貨物有發(fā)生傾灑、泄露甚至爆炸的危險。車載穩(wěn)定平臺可通過其機械結構和電機的相關工作消除載體運動或其所受的干擾力矩的影響。穩(wěn)定平臺通過姿態(tài)傳感器獲取其實時變化的動態(tài)數(shù)據(jù)，據(jù)此數(shù)據(jù)計算傾斜程度，最后通過單片機整理數(shù)據(jù)，驅動直線電機運動，由此反復，回調平臺傾斜角度以確保其動態(tài)姿態(tài)符合穩(wěn)定標準。從而最大程度消除外界對車內載體的干擾，使平臺處于動態(tài)平衡狀態(tài)，以保證所載貨物的安全。目前，穩(wěn)定平臺不僅應用于船載、車載， 還廣泛的應用在各行各業(yè)中，它已成為現(xiàn)今國際上普遍熱衷研究的課題。 本文據(jù)此設計了一種新型的車載穩(wěn)定平臺，該穩(wěn)定平臺主要包括直線電機裝置、四桿機構、剪叉機構、底盤機構等。它的主要結構參數(shù)有：長 800mm，寬 800mm，高 870mm， 凈重約 20Kg，最大起升后高度 1.27m。該裝置總體分為兩部分：上半部為平臺部分，它的功能是：在路況不利于行駛，車體發(fā)生顛簸時，通過動態(tài)回調自身平臺傾斜度，保證平臺處于所需平衡狀態(tài)，從而實現(xiàn)消除載體運動和其所受干擾力矩的功能。下半部為車體部分，由剪叉升降機構及全向輪底盤組成，可通過智能遙控系統(tǒng)進行定位升降，具有使平臺可做任意方向的運動和原地 360°無死角轉動。 對穩(wěn)定平臺的機械機構進行了運動分析和靜力學分析，分析結果能夠達到自動調節(jié)功能。最后，利用 solidworks 軟件對機構進行了仿真運動，用 matlab 進行數(shù)據(jù)分析。證明其可以完成既定的自穩(wěn)、升降和移動要求。通過該畢業(yè)設計可以實現(xiàn)智能化自適應自穩(wěn)移動平臺的各項既定功能。 關鍵詞：穩(wěn)定平臺；直線電機；萬向節(jié)；solidworks I ABSTRACT Due to the impact of different roads conditions, there will be bumps or tilt during the car on the road inevitably, which results in the danger of goods to be transported dumping, leakage, explosion and other hazards. The intelligent adaptive self-stabilizing mobile platform can eliminate the influence of the carrier motion and the disturbance torquezit, obtain the dynamic data of the platform change through the attitude sensor, calculate the inclination degree, and then adjust the data through the single-chip microcomputer to drive the linear motor movement and adjust the dynamic attitude standard. Thus isolating the outside device interference, so that the platform has been in a horizontal state to ensure the safe transport of goods. Stable platform widely used in all walks of life, which has become the focus of the current international research topics. First of all, this paper designs a new type of vehicle self-stabilizing platform, which includes linear motor device, four-bar mechanism，scissor mechanism and chassis mechanism. The main parameters are: length 800mm, width 800mm, height 870mm, net weight 20Kg, the maximum height after rise is 1.27m. The device is divided into two parts：the upper part is the platform part, which can be adjusted by changing their own posture when encountering in the bumps and always maintain a steady state of the level, so as to achieve the function of isolation movement object disturbance. the lower part is the body part,which composed of scissor lifting mechanism and omni-directional chassis. It can be lifted in any point by intelligent remote control system. Its function is to make the platform to do any direction’s movement and in situ 360 ° no dead angle rotation. Secondly, the motion analysis and static analysis of the self-stabilizing mechanism of the stable platform are carried out,and the analysis result can achieve the function of automatic adjustment.Finally, Solidworks software is used to simulate the movement of the organization and using Matlab for data analysis. To prove that it can complete the established requirements of self-stabilization, lifting and moving.Through the graduation design can achieve the established function of intelligent adaptive self-stabilization mobile platform. Key words: self-stabilizing platform；linear motor；universal joint；solidworks II 目 錄 摘 要 Ⅰ ABSTRACT Ⅱ 1 緒論 2 1.1 研究背景 2 1.2 選題的理論意義和應用價值 2 1.3 平臺的國內外發(fā)展現(xiàn)狀 3 2 移動平臺概述 5 2.1 平臺的設計原理 5 2.2 平臺各組成部分 5 3 平衡機構的比較和設計 6 3.1 四桿機構 6 3.2 四桿機構極限位置計算 9 3.3 四桿機構各桿件的受力分析 11 4 舉升機構及移動底盤的選擇和設計 14 4.1 舉升機構的比較及選擇 14 4.2 移動底盤的比較與設計 17 結論 19 參考文獻 20 附錄 1 22 附錄 2 29 致謝 40 I 1 緒論 1.1 研究背景 近年來國家經(jīng)濟平穩(wěn)迅速地發(fā)展，各行各業(yè)的科技水平也隨之不斷提高。隨著人們 對交通工具及運輸工具的平穩(wěn)度需求的日漸加強，穩(wěn)定平臺也逐漸成為人們關注的熱點。尤其對于當代飛速發(fā)展的物流業(yè)，對于某些易碎易損壞的脆性物品或是某些價值昂貴的， 對運輸條件有高要求的特殊物品來說，保證被運貨物的安全性和無損性，是現(xiàn)代物流業(yè) 面臨的核心問題，也是最困難的問題。車載穩(wěn)定平臺對于運輸行業(yè)來說利遠遠大于弊。它不僅能夠減少貨物因路況造成的車體顛簸產(chǎn)生的不必要損壞，使貨物在被運輸?shù)倪^程 中更加安全，而且對于運輸工作者來說，車載穩(wěn)定平臺還可減少工作者因道路不平感受 到的顛簸感，使其在山路等各種不平穩(wěn)路況行駛中更為適用?？梢越o自駕旅行的人們提 供所需的穩(wěn)定感，從而提高旅途舒適度，降低駕駛者的疲勞程度。本文研究的穩(wěn)定平衡 裝置剛好可以最大程度減少運輸途中由路況造成的經(jīng)濟損失。是以，本研究具備十分重 要的實際理論指導意義。 1.2 選題的理論意義和應用價值 近年來，社會的快速發(fā)展伴隨著科技迅猛的進步，機電一體化在不斷完善的過程中愈來愈顯普遍化。交通工具和運輸工具的平穩(wěn)度隨之日漸成為人們關注的熱點。在交通運輸中，一旦平穩(wěn)度達到所需要求值，就能夠實現(xiàn)最大程度減少運輸過程中可避免的交通事故和經(jīng)濟損失。從多個需求角度出發(fā)，本文提出了一種智能化車載穩(wěn)定且可移動的平臺，經(jīng)過多次修改和優(yōu)化，本文設計的車載穩(wěn)定平臺主要可實現(xiàn)兩個方面的運用：一、在快遞公司中作為一種運輸貨物的智能車。二、作為主動平衡裝置，應用在大型車輛的車廂上。 目前國內的各個較有規(guī)模的快遞公司，倉庫空間和貨物的存儲量都十分可觀，通常貨物擺放也趨于密集，所以一個可以實現(xiàn)全方位移動、自由旋轉且運輸貨物既平穩(wěn)安全又快捷的可升降穩(wěn)定運輸小車就能幫助倉儲工作的完成安全高效。對于具備上述特點的智能運輸小車在運輸途中，能夠使承載貨物的平臺一直處于平衡狀態(tài)，不管是在坡道還是在崎嶇不平的路面都能保證被運貨物平穩(wěn)，實現(xiàn)保質保量的安全運輸。在有高架臺的倉庫中，還能夠通過操控無線遙控器來控制穩(wěn)定運輸小車載物平臺的升降，并可選擇適宜的升降高度，使裝卸貨物更加快捷方便。智能穩(wěn)定運輸小車的底盤采用了全向輪裝法， 使小車可實現(xiàn)多角度旋轉、全方位移動，便于快速準確裝卸貨物。綜合以上功能，此運輸小車在大型快遞公司里一經(jīng)運用不僅可很大程度地減少勞動力的輸出，而且還能降低運輸過程中貨物損壞的經(jīng)費，使保證運輸貨物質量和提高貨物運輸效率兩不誤。 10 車載穩(wěn)定平臺最大的特點在于，無論路面情況如何變化，它都能通過平臺機構的自動調整運動和姿勢變化使載物平臺保持最大程度的平穩(wěn)。針對這一特點，它可①給自駕旅途提供舒適的駕駛和乘坐環(huán)境，減輕人們的疲勞程度，使駕駛和乘坐最大程度的實現(xiàn)人性化需求。②在交通運輸中使平臺穩(wěn)定不顛簸，減少運輸途中因路況產(chǎn)生的可避免的經(jīng)濟損失甚至交通事故的發(fā)生，大大提高了交通安全性。③運用在船業(yè)上，還能保證船只的平穩(wěn)航行。④在地震多發(fā)地區(qū)的建筑上運用此原理，可以實現(xiàn)在地震發(fā)生時減弱建筑晃動，但是由于力的提供等多種原因實現(xiàn)起來可能比較困難。據(jù)研究顯示，該穩(wěn)定平臺在各行各業(yè)都能起到大小不同的作用。平臺裝置如果投入生產(chǎn)，將加速交通運輸業(yè)的安全發(fā)展，提高運輸?shù)男什p少運輸途中因道路原因造成的經(jīng)濟損失、交通事故等負面情況，由此滿足人們對生活、生產(chǎn)的要求。 1.3 平臺的國內外發(fā)展現(xiàn)狀 穩(wěn)定平臺很長一段時間以來都是國內外相關領域重點研究的對象,相關技術已廣泛地被運用在各種航天設備、艦載、地基、車載、機載、彈載中。很多國家在約一百年前就已經(jīng)牽頭鉆研設計并試用穩(wěn)定平臺。時至今日，自主穩(wěn)定平臺的運用已涉及貿易、軍事等諸多范疇。在商業(yè)方面可作用于手持相機的防抖、天文望遠鏡的穩(wěn)定等其他多個方面。軍事方面，它可用于導彈制導、對象跟蹤、槍炮塔監(jiān)督等。 穩(wěn)定平臺作為一種安置于移動物體上的裝置，具備阻斷移動物體擾動的功能。在船載天線穩(wěn)定平臺體系和船舶的上工作面姿態(tài)檢測上都有應用到傾角傳感器實時讀取數(shù)值，計算過后，對穩(wěn)定平臺進行校準。穩(wěn)定平臺活動的實現(xiàn)是憑借單片機調整外部機械機構以實現(xiàn)調整穩(wěn)定平臺回到水平狀態(tài)目的，讓平臺始終處于平衡狀態(tài)。 相較于國外尤其是世界先進國家，我國穩(wěn)定平臺的的開發(fā)和研究水平落后了將近二十年。同時，國內自主研發(fā)的穩(wěn)定平臺目前面臨著許多問題，諸如：使用的慣性元件精度較低，嵌入式技術跟不上實際需求等。除此之外，我國在穩(wěn)定平臺的研究上歷史相對短暫，整體技術成熟度明顯比較不足。但是近年來國內穩(wěn)定平臺相關研究愈來愈受到重視，慣性元件、電子技術包括數(shù)字技術等不斷創(chuàng)新和進步，加上平臺裝置涉及的機構動力學及運動學、機械設計技術、數(shù)據(jù)采集技術、傳感器技術、信號分析和處理技術、現(xiàn)代控制技術等多個技術領域不斷的發(fā)展和完善，我國穩(wěn)定平臺的水平正在逐漸向世界先進國家看齊。 2 移動平臺概述 2.1 平臺的設計原理 此文所研究的車載穩(wěn)定平臺的工作是為了能夠實現(xiàn)：當平臺受所安置的主體運動的干擾時，可通過快速計算，將平臺調整到精確位置，使其可以受到實時的控制跟隨裝置整體運動。此車載穩(wěn)定平臺依照如下理論工作： 我們需要憑借一種角速度感測規(guī)模較大，可以精準地追蹤快、慢速動作的六軸角度傳感器來對運動信號進行采集，然后根據(jù)采集測量出的數(shù)據(jù)進行計算，最后確定平臺的傾斜角度這種傳感器的信號采集元件為 mpu-6050，此采集元件使本傳感器具備了許多優(yōu)勢，如：能夠很大程度的提高包裝空間的使用率，且能有效避免組合三軸陀螺儀和三軸加速器時的軸間差問題。接下來是把它采集到的平臺實時運動的加速度數(shù)據(jù)利用軟件程序編寫，利用微處理器 K60 型號編寫擴大，對傳感器收集的信號經(jīng)由卡爾曼濾波器作業(yè)，以獲得對應的角度數(shù)據(jù)。 直線電機驅動桿的伸、縮速度主要通過編寫的程序代碼控制，程序代碼編寫結束后可以通過 PID 算法得到 pw 波，此時所得的 pw 波可以控制直線電機的電壓，以此控制桿速。這樣，平臺就能夠根據(jù)角度變化的速度調整所需的恢復程度。平臺結構中可伸縮桿件運動動作的實現(xiàn)主要依靠直線電機提供動力，以此使得穩(wěn)定平臺裝置可以時刻保持平衡狀態(tài)，最終實現(xiàn)隔離所安置主體運動時受到的外部因素影響的目的。 2.2 平臺各組成部分 本裝置的各個組成部分主要為：底盤的運動部分、中部的電氣控制部分和機械結構部分。三個主要組成部分分別有以下功能： 底盤的運動部分：為了實現(xiàn)車載穩(wěn)定平臺可以各向轉動和全向移動的功能，底盤的運動部分對稱設置了四個萬向輪。在實現(xiàn)裝置全向運動的同時，還需要使四個輪子在運動過程中所受的摩擦力盡可能的減小，經(jīng)過對比和研究，最后決定采用小輪內置大輪在外部包裹小輪的方式。 機械結構部分：有為平臺實現(xiàn)升降提供支持的剪叉機構、直線電機控制的可伸縮連桿機構、為整體裝置的移動提供支持的萬向輪機構等機構組成。直線電機為可伸縮的連桿機構提供動力，再通過兩組相互垂直的雙折分支并聯(lián)機構來使平臺能夠實現(xiàn)在水平和豎直方向上的運動，最后通過剪叉機構實現(xiàn)平臺的升降運動，底盤通過萬向輪機構來保證整個裝置的轉動和移動功能； 中部電氣控制部分組成：信號采集元件為 mpu-6050 的傳感器、信號處理器、校正和檢測元件等。 本文主要敘述機械結構部分。 3 平衡機構的比較和設計 3.1 四桿機構 3.1.1. 四桿機構 圖 3.1.1 四桿機構模型圖 如圖 3.1.1，穩(wěn)定平臺中可實時調控保持穩(wěn)定的部分由一對相互垂直的四桿機構組成。因為它們有相同的工作原理，所以下文我們只對裝置中的一個四桿機構進行運動分析，直角坐標系如圖所示。 1-推桿 2-鋁材桿件 3-方形連桿 4-圓形連桿 5-支架圖 3.1.2 X 軸方向上四桿機構的運動簡圖 如上圖所示，由直線電動機驅動的主動桿 1，能夠繞鉸鏈 A 作有限角度的來回運動。經(jīng)過計算，我們可以確定主動桿 1 距離從動桿 2 的具體長度，從動件分別為桿件 2、3、 4，兩個從動件間都由銷軸連接。最后，用軸承將從動件 4 固定在承物板的反面，軸承的固定能夠使承放物品的平板擁有更加強而穩(wěn)定的支持力，也能夠讓承物板跟隨整個裝置的運動實時調整它的角度，使其始終保持水平狀態(tài)。鋁制桿件 5 作為一根支撐桿，兩 端需要分別固定，與從動件 4 連接的一端要使從動件 4 能夠滿足運動要求，所以選擇用 特殊結構的銷軸連接，既可防止桿件 5 產(chǎn)生上下躥動，也方便日后維修時的拆裝。桿件 5 的另一端需要固定于剪叉機構的上平面，實現(xiàn)其支撐桿的作用，我們選擇法輪盤連接。 如圖 3.1.2 所示，構件 n=5,有一個移動副，六個轉動副，因此有 p L 1 + 6 = 7 據(jù)機構自 由度計算公式有： F = 3n - 2PL - PH = 3 ′ 5 - 2 ′ 7 - 0 = 1 根據(jù)：原動件數(shù)目大于自由度數(shù)目時，運動干涉；原動件數(shù)目小于自由度數(shù)目時， 無確定運動；原動件數(shù)目等于自由度數(shù)目時，各構件具有相對運動可得上訴機構具有確定的運動。 3.1.2 萬向節(jié) 如圖 3.1.3 所示為桿件 4、支撐桿 5 之間銷連接結構，組成一個萬向節(jié)： 圖 3.1.3 銷連接模型圖 上述所提可實現(xiàn)萬向節(jié)回轉功能的銷軸結構由銷、軸承和矩形外框焊接組成。假定從動件 4 相對支撐桿 5 可實現(xiàn)從 20°擺動到 160°。為做相應的定點掃描實驗，我們將一根長 L 的桿件連接在以上提到的銷軸結構上。最終獲得結果如下： S可擺動 = pL2 (1 - cosa) 2 20° ￡ a￡ 160° 圖 3.1.4 萬向節(jié) x 軸與 y 軸角度曲線 本機構所用的萬向節(jié)是由銷和軸承組合而成的，它的應用是整個車載移動平臺完成工作的核心?？赏瑫r實現(xiàn)：在增加整個機構的靈敏度和平穩(wěn)度的同時，為平臺在調節(jié)過程中保持潤滑和穩(wěn)定。它使承物板可以完成水平和豎直方向上的共同運動。 3.1.3.局部自由度的構成 本機構的特殊之處在于：可實現(xiàn)同層的 X 軸偏向和 Y 軸旋轉，這一特殊之處也成了設計過程中所面臨的最大的難題，即 X、Y 軸的干涉問題。本裝置從進入設計階段開始就考慮到這個問題的嚴重性，也試想過一些解決方案并對不同的解決方案進行了各方面的對比。原先考慮過使用分層來控制，分層控制是將機構在水平和豎直方向上的運動分開控制，即各為一層，先設置一層連桿機構控制承物板的豎直方向上的運動，再在這層控制的下一層設置搖桿機構控制上層的水平方向上的運動。這樣一來就可以避免機構在運動時水平和豎直方向上存在的相互干涉的問題。但是分別設置獨立的兩層連桿、搖桿機構來完成橫縱向的同時運動免不了會提高裝置整體的高度，裝置整體高度的增加會對平臺的工作精度造成不可避免的影響，在穩(wěn)定平臺工作精度降低的同時還存在平臺穩(wěn)定性降低的風險，結合實際考慮并不適用于生活，因此最終決定不采用分層控制的方案。改良為單層雙向控制。單層的雙向控制能夠很大程度的降低整個平臺裝置的整體高度， 也使平臺的穩(wěn)定性得到保障，但是設計上就對結構提高了要求。在這里，我們選擇使用旋轉軸承，用于連接平臺和連桿。旋轉軸承可滿足機構單層的橫、縱向同時運動的要求。 3.2 四桿機構極限位置計算 圖 3.2.1 上偏角極限位置圖 假設整機總尺寸已定，則可求各桿件相對距離及尺寸由圖 3.2.1 可知，當電機推桿伸到最長時，機構會達上偏角極限位置，此時a、b 共線，且出現(xiàn)極點，為避免這種情況發(fā)生，應該滿足： (r - r cosq)2 + (H + r sinq)2 = (a + b)2 (3.2-1) a b b 展開得：  (a + b)2 - r 2 - r 2 - H 2 即上極限偏角： H sinq- ra cosq= a b 2rb (3.2-2) (a + b)2 - r 2 - r 2 - H 2 r q= arcsin a b + arctan a H (3.2-3) 考慮到實際，θ[0, n ]之間。由三角形的構成條件，平臺水平時應有： 2 豎直時（不存在），應有： a + b 3 a + b ￡ (3.2-4) (3.2-5) 圖 3.2.2 下偏角極限位置圖 由圖 3.2.2 可知，當電機推桿不伸長時，機構會達下偏角極限位置，機構會出現(xiàn)死點，為避免這種情況發(fā)生，應該滿足： [(b + r cosq) - r ]2 + [H - (b + r )sinq]2 = a2 (3.2-6) b a b 展開得:  (b + r )2 + r 2 + H 2 - a2 H sinq+ ra cosq= b ( a ) (3.2-7) 2 b + rb 解得: (b + r )2 + r 2 + H 2 - a2 r q= arcsin b a - arctan a H (3.2-8) 考慮到實際工況，q處于é- p,0ù 之間。由三角形的構成條件可知，當平臺處于豎 ?ê 2 ú? 直（不存在）或水平時，應滿足(3.2-4)和(3.2-5)條件。 3.3 四桿機構各桿件的受力分析 圖 3.3.1 四桿機構爬坡狀態(tài)受力簡圖 圖 3.3.1 為機構上爬狀態(tài)受力簡圖，設平臺可承重為 M (kg )，在角度為a° 的斜面上進行上爬運動。平臺承重加上機構自重，總重量為： 連架桿 AB 的重量為： F重力1 = Mg + MDCg F重力2 = M ABg （3.3-1） （3.3-2） 對機構各支點的受力情況進行分析。如上圖所示，平臺底座給了鉸鏈 A 一個支反力 F ，據(jù)圖可知 F = G ′ cosa， FA 隨著 G 增大而增大，隨著a的增大而減小。直線電機 A A 供給動力的推桿給鉸鏈 K 一個大小為 FK 方向為 IK 的力。二力桿 CB 兩端的鉸鏈由于二力平衡， FB 和 FC 都沿著 CB 方向，方向相反但大小相同。 根據(jù)牛頓定律，圖 3.3.2 中可以看出桿件 DC 以及其兩端鉸鏈所受的各個力，其中q2是 BC 和 X 軸的夾角，把 FD 分解到水平和豎直兩個方向 FDX 和 FDy ，同樣的 FCX 和 FCy 是由 FC 分解的。 圖 3.3.2 連架桿 DC 受力簡圖 19 由靜力平衡可得： ?FX = 0 ?FY =0  FDX + FCX = 0 FDY +FCY +(M+m)g=0  （3.3-3） （3.3-4） ?M =0 F L-1  +m)g=0 5  （3.3-5） O CY 5 L(M 2 解得： FD = （3.3-6） FC = （3.3-7） 同理可知，在直線電機的作用下連架桿 AB 中鉸鏈點 A、點 B 受到支撐力和支反力， 其中，支撐力FK與坐標軸的夾角為θk。 圖 3.3.3 連架桿 AB 受力簡圖 按圖 3.3.3 示列方程： ? FX = 0 ?FY = 0  FAY + FKY - FCY = 0 AB FAX -FM X +FKX +FCX = 0  （3.3-8） （3.3-9） 帶入公式解得： ?MO =0 FA = 1 2 AB FM Y+FCYL3 -FKYL6 =0  （3.3-10） （3.3-11） F = MABg sinqNL3 + 2FC sinqML3 K 2L sinq  （3.3-12） 6 K 其中: qN = 1p+ arcsin( CL+ D ) -q 3 2 A+ L2  （3.3-13） L6sinq q = arcsin( 3 ) +q  （3.3-14） K L 3 qM = arcsin( L = Hsin 90o - L sinq + CL+ D ) L( ) L4  （3.3-15） （3.3-16） 圖 3.3.4 四桿機構各支點受力圖 圖 3.3.4 為各個鉸鏈的受力仿真圖，通過仿真圖可知：1、作用在鉸鏈 D 上的力的大小與平臺角度的大小成正相關。2、作用于鉸鏈 C 上的力基本維持在 200N，上下浮動不大。3、作用于鉸鏈 A 上的力與平臺角度的大小成負相關。所以只校核強度的時候只校核受力最大的點 D 鉸鏈。 4 舉升機構及移動底盤的選擇和設計 4.1 舉升機構的比較及選擇 4.1.1 方案一：電動導軌式的鏈傳動、帶傳動 帶傳動、鏈傳動的工作原理：電機帶動帶輪使升降機構在導軌上實現(xiàn)上下移動的目的。帶傳動具有良好的撓性、可以吸收振動且結構簡單、成本低廉，但是帶傳動在過載時會出現(xiàn)打滑，打滑雖有防止其它零部件受損的功能，但會造成傳動失效。鏈傳動的工作原理與帶傳動相似，其具有傳動比大，載荷分布均勻的特點，但是其工作時存在沖擊振動、且有噪音。綜合本裝置的工作環(huán)境和功能要求考慮，鏈傳動和帶傳動均不適用。如圖 4.1.1 所示： 圖 4.1.1 帶傳動的升降機構 4.1.2. 方案二：渦輪絲杠升降機 渦輪絲杠升降機，利用了運行平穩(wěn)傳動準確的渦輪轉動帶動絲杠上下移動的方法來實現(xiàn)升降機功能。但渦輪絲杠升降機存在結構較為復雜難以維修、且生產(chǎn)成本大、制造精度要求高，機構所需空間也相對較大等缺點，考慮到本設計的設計精度難以達到以及使用空間有限的問題，暫不采用本方案。如圖 4.1.2 所示： 圖 4.1.2 渦輪絲杠升降內部結構 4.1.3. 方案三：液壓升降機構 液壓升降機構中氣體進入液壓缸的工作區(qū)域，使得液壓缸內外產(chǎn)生壓強差，壓強差帶動活塞桿上下移動，從而實現(xiàn)升降機構的功能。液壓升降機構工作可靠性高，但工作所需耗偏大，使用成本過高，且運動精度難以控制，綜合各方面考慮，不適用于本裝置。如圖 4.1.3 所示： 圖 4.1.3 液壓升降機構 4.1.4. 方案四：剪叉式升降機構 剪叉機構多用于高層間貨物的運送，憑借其結構穩(wěn)定且緊湊的特點，能夠支持運載重量相對比較大的貨物。剪叉機構中的活動桿件相互交叉連接，可以做相對擺動運動， 活動桿的相對擺動角度范圍為 0~180 度，由此可以使載物平臺完成從最低平面到最高平面的升降活動，且剪叉機構中各個桿件的長度方便設計和控制，能夠很好的根據(jù)裝置整體的尺寸要求完成配合設計。剪叉機構中的驅動裝置有不同的結構可供比較和選擇。圖4.1.4（a）為剪叉式升降機構結構簡圖： 圖 4.1.4（a） 剪叉式升降機結構簡圖 經(jīng)過對多種驅動裝置的比較和分析，總結出以下結論：直線電機驅動傳動機構簡易、便于拆換維修，而且不會使裝置整體高度增加太多，能為本裝置的設計尺寸提供較為合適的配合。滾珠絲杠組成的驅動裝置組成零件比較復雜，雖然它能夠提供比較高的傳動精度，但由于其成本較高、安裝精度要求也比較高，難以實現(xiàn)在車載穩(wěn)定平臺上的使用。最后還對連桿機構的驅動裝置進行了分析，也由于其自身存在很大程度的增加裝置整體高度的問題，使其不適于作為本文涉及的剪叉機構的驅動裝置。 綜上所訴，升降機構選擇方案四：剪叉式升降機構，驅動裝置選擇直線電機驅動。 圖 4.1.4（b） 直線電機驅動的剪叉式升降機構圖 4.2 移動底盤的比較與設計 本文設計的車載移動平臺應該具備可在貨物倉庫中的各個貨架間有限的空間內實現(xiàn)貨物承運的功能，包括在固定路線中的移動和必要的轉向，因此，所選擇的移動底盤必須能夠保證工作時裝置所需達到的運動精度，且靈活性要高。經(jīng)過多種結構的對比和運動精確度的分析，最后選用全向輪結構作為移動底盤。全向輪結構如圖 4.2.1 所示。 圖 4.2.1 全向輪結構圖 整個移動底盤由四個電機驅動的全向輪在底盤圓周上均勻分布組成，此復合輪子結構由大輪邊緣套小輪組成，可使裝置實現(xiàn)各個方向的行進和原地各角度的轉向。由于此全向輪結構屬于軸系裝配，設計之初考慮過小輪軸的受力可能存在受力過大的問題從而影響整個移動底盤的使用壽命，但由于四個輪呈對稱分布，因而小輪軸的受力情況也較為均勻，以上問題便得以解決。此外，電機驅動的四輪底盤結構也使裝置整體的動力更大，運動更加靈活精確。 本裝置中電機軸和全向輪之間通過橡膠吸震聯(lián)軸器連接，利用滾針軸承降低底盤摩擦連接部分的摩擦程度，再加上端面軸承的配合，使底盤適應地面較大起伏的情況，而且還能保持各驅動輪緊壓地面。底盤裝配圖如圖 4.2.2 示： 圖 4.2.2 移動底盤裝配圖 作為連接動力供給部件和運動部件的關鍵零件，聯(lián)軸器在整個移動底盤中起著不可小視的作用，由于聯(lián)軸器的種類眾多，在不同的工作環(huán)境下所起到的作用也有所區(qū)別， 因此對聯(lián)軸器的選擇也是設計中的一個重要的環(huán)節(jié)。移動底盤因為會與地面產(chǎn)生直接接觸，在整個車載穩(wěn)定平臺運行的過程中，底盤會受到路況的干擾產(chǎn)生不可避免的振動甚至碰撞，因此需要選擇減振性能較強的聯(lián)軸器，經(jīng)過查閱相關資料，最終決定選用如圖 4.2.3 所示，內、外徑分別為 8 和 30 的橡膠減振聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器的橡膠部分可以實現(xiàn)減振的作用。 圖 4.2.3 橡膠減震聯(lián)軸器 結論 本文僅對可承載貨物并完成運送的車載穩(wěn)定平臺進行分析和研究，主要對其機械結構進行了選型、設計和受力分析。在有限的研究時間內主要完成了：平臺平衡機構的設計并對其進行受力分析、升降機構的選型、底盤移動裝置的設計，以及對整機進行SolidWorks 裝配圖的繪制等幾項工作。由于本設計的內容涉及知識面較廣，且設計的過程中存在一些僅憑個人能力難以解決的問題，因此該設計不盡完美，還存在很大的優(yōu)化空間。 近年來，交通運輸和貨物儲存?zhèn)}庫物料裝卸對運輸工具的平穩(wěn)度需求有增無減，這也使穩(wěn)定平臺成為了人們熱衷研究的項目。根據(jù)不同的應用場合，具備不同功用的穩(wěn)定平臺也應運而生。本文設計的車載可移動穩(wěn)定平臺可為當代飛速發(fā)展的物流業(yè)提供貨物運輸過程中的安全保障，尤其是對某些對運輸條件有高要求的物品來說，能夠大大提高物品的完整性和無損性。對未來相關方面的應用有十分重要的理論指導意義。 參考文獻 [1] 胡壽松.自動控制原理［M］，北京；科學出版社，2001.2. 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