地面武装侦察机械人机械设计与动力学剖释-火炮、自愿火器与弹药工程专业结业论文pdf

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  地面武装考试刻板人板滞安排与动力学判辨-火炮、自愿火器与弹药工程专业结业论文.pdf

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  地面武装侦察刻板人刻板策画与动力学通晓 摘 要 正在今生打仗中,兵器格局正朝着无人化、智能化、高精度的目的展开,战场处境也 出格紊乱。开发人员屡屡囿于自己心理和心境的边界,不能周备得意设备义务的必要。 地面武装审核呆笨人,是一种用于庖代战士承担军事职守的地面无人车辆,它同时完好 了武装开发和疆场查核等成就。地面武装调查机器人的利用,大概有用升高队伍的筑制 效劳,并极大地下降本人伤亡人数。本文打算了一款新型六履带轮履复合式武装考核机 器人,缔制了其搬动平台的实体样机,并进行了动力学仿真。这一安排建立或许敷裕全部人 国地面无人化精巧兵器修设的研商,同时为好似地面转移呆笨人的计划供给外面与操演 鉴戒。 本文围绕所安排的新型武装考试古板人,展开了一系列研究事宜,要紧有: 1)展开了呆板计划与电机完婚钻研。提出了系统总体策动,举行了模块化打算, 并主旨先容了嵌套轴系等枢纽结构的改变策画;探求了死板人各部位驱动电机的匹配计 算措施。2 )开展了底盘形式的动力学钻研。针对直驶、爬坡、越障和自撑起几种外率 位姿,对武装考查呆板人进行了体例动力学筑模,并举行了数值求解与判辨。3 )发展 了刀兵站格式的伺服控造研究。按照呆笨人刀兵站要能够速速捉拿、清楚故障宗旨的要 求,策画了兵器站的伺服体系和 PID 控制器,并实行了参数整定与仿线 )开展了武 器站格局的机电合资仿真研商。将武装机械人的多刚体动力学模子与伺服体例控制模型 合资起来,实行了火器站的机电系统协同仿线 )展开了有限元阐明与优化设 计钻研。针对滞板人的要叙零部件进行了静强度领会,并正在有限元知讲的秘闻上,展开 了关系构造的优化计划。 终末,论文针对现有计划和实体样机正在操练中展现的问题,给出了进一步优化革新 的主张,并对地面武装考查呆笨人的展开前景实行了瞻望。 枢纽词:武装机械人,构造安排,动力学,机电合股仿真,优化打算 I 万方数据 Mechanical Design and Dynamics Analysis of Ground Armed Reconnaissance Robot Abstract In modern warfare, weapon system tends to be unmanned, intelligent and high-precision.The battlefield environment is also more complex. Combatants can not meet the needs of combat missions completely due to their physical and mental limitations.Ground armed reconnaissance robot, which is used to undertake military missions instead of soldiers,is an unmanned ground vehicle, also has the functions of armed combat, battlefield reconnaissance and so on. The use of ground armed reconnaissance robot can effectively improve the combat effectiveness of the armed forces, and greatly reduce our casualties. This paper designed a new composite armed reconnaissance robot with six-track and four-wheels,then created the entity prototype of the robot’s mobile platform. This design or invention will enrich the study of ground unmanned weaponry in our country and provide theoretical and practical reference for similar design on ground mobile robots. Focusing on the designed new armed reconnaissance robot ,this paper carried out a series of work, including: 1) Mechanical design and motor match. This part proposed system overall program and conducted modular design, highlighted the innovative design of nested inner and outer axis system and other key parts; explored the matching calculation of robot’s drive motor in each parts. 2) Dynamics study of the chassis system.Refer to straight traveling,climbing, obstacle crossing and self-propped these four typical poses,this part carried out the systematic dynamics modeling and numerical solution and analysis for armed reconnaissance robot. 3)Servo control of weapons station system. The robotic weapon station should be able to quickly capture and precisely attack the targets.At the request of above,this part designed the servo system and the PID controller of the weapons station, also did the parameter tuning and simulation. 4 )Electromechanical co-simulation in weapon station system. This part combined the armed robot’s multi-rigid-body dynamic model and the servo system control model, made an mechanical-electronic co-simulation system and analysis for the weapon station.5)Finite element analysis and design. In this part, the static strength of robot’addition,the development foreground of ground armed reconnaissance robot in the future was prospected. Key Words :Armed robot, structural design, dynamics, mechanical-electronic co-simulation, optimization design II 万方数据 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪言 1 1.1 小序 1 1.2 课题钻研主意与意义 1 1.3 军用地面搬动呆板人国内外研讨外观3 1.3.1 国外军用地面挪动机器人研究外貌3 1.3.2 邦内军用地面移动滞板人钻研外面8 1.4 论文的告急事故及内容独揽9 2 武装考核刻板人总体安排 10 2.1 打算指标及构型贯通 10 2.1.1 安排目标 10 2.1.2 构型融会 11 2.2 系统组成与组织 12 2.3 本章幼结 12 3 武装观察机器人机械策画与电机完婚 13 3.1 行驶方式打算 13 3.1.1 行驶编制总体构造 13 3.1.2 行驶系统传动安排 14 3.1.3 嵌套轴捆绑构安排 15 3.2 承载与注意格局打算 16 3.3 火器站形式安排 17 3.3.1 刀兵站方式总体策画与组织 17 3.3.2 目标机设计 18 3.3.3 坎坷机设计 18 3.4 视察云台计划 19 3.5 电机与减疾器的成婚企图研讨20 3.5.1 主驱动电机与减速器的匹配筹算20 3.5.2 翻转臂驱动电机与减快器的成婚企图23 3.5.3 其我驱动电机与减速器的结婚盘算25 3.6 本章幼结26 4 机器人活泼历程动力学修模与意会27 4.1 平地直驶动力学筑模与了解27 4.1.1 直驶动力学筑模27 4.1.2 状态意会29 III 万方数据 4.2 爬坡动力学修模与贯通31 4.2.1 爬坡动力学建模31 4.2.2 状况理解31 4.3 越障动力学修模与理解32 4.3.1 越障动力学修模32 4.3.2 形态分解34 4.4 自撑起动力学修模与意会34 4.4.1 自撑起动力学建模34 4.4.2 状态分解36 4.5 本章小结37 5 刻板人兵器站伺服式样与PID 控造器打算38 5.1 伺服式样建模38 5.1.1 伺服方式建模38 5.1.2 直流伺服电机通报函数39 5.1.3 电机减疾器的通报函数41 5.1.4 PWM 改造器传达函数41 5.1.5 其我们环节的传递函数41 5.2 PID 控造原理41 5.3 PID 控制器设计43 5.3.1 电流环控制器策画43 5.3.2 速率环控造器计划44 5.3.3 位置环控制器计划45 5.4 PID 控造器参数整定与形式仿线 PID 控制器参数整定本事46 5.4.2 目标机PID 参数整定与式样仿线 高低机PID 参数整定与式样仿线 呆板人刀兵站机电闭股仿线 机电共同仿线 众刚体动力学模子的首创54 6.2.1 伪造样机修模54 6.2.2 拓扑干系修设55 6.2.3 模型搜检57 6.3 机电闭伙控制模子的树立57 6.3.1 状况变量的设定57 6.3.2 宏文献的输出与创立58 6.3.3 闭伙仿线 快速定位固定靶仿线 匀快追踪挪动靶仿线 变速陪同零乱举止靶仿线 呆笨人枢纽零部件有限元清楚与优化66 7.1 有限元干系理论66 7.1.1 有限元理解表面与方式66 7.1.2 优化安排理论与方法66 7.2 翻转臂有限元领会及机闭优化69 7.2.1 翻转臂有限元阐明69 7.2.2 翻转臂的构造优化71 7.3.3 优化前后对比领会73 7.3 大臂的有限元分解与机闭优化75 7.3.1 大臂有限元剖析75 7.3.2 大臂的结构优化79 7.3.3 优化前后比拟知叙80 7.4 本章小结83 8 概述与展望84 8.1 全文概述84 8.2 事宜展望85 参考文献86 致 谢90 攻读硕士时间颁发的论文及所赢得的研商效率91 V 万方数据 中北大学学位论文 1 序论 1.1 弁言 地面武装考察机器人,是一种用于取代战士继承军事任务的地面无人车辆(UGV ), 它所以竣工预定的计谋或策略任务为标的,以智能化、讯息处理技巧和通信要领为主题 [1] 的智能化建设 ,它同时齐全了武装征战与战地观察等功劳。 军用地面搬动古板人的欺骗汗青最早可以追忆到二战时刻,德国 1942 年正在法国和 苏联等战场出席操纵了一次性遥控车辆“歌利亚” (Goliath)爆炸物运送车[2,3] 。1972 年, 英国刻板人车辆研商所来源研造用于算帐爆炸物的遥控死板人“手推车”(Wheel Barrow) ,其中的 Mark8 正在 1982 年的马尔维纳斯群岛干戈中曾被告成诈骗于扫雷功课[4, 5] 。跟着维持手法的连接上进与成熟,美、英、德、法、以色列、日本等国均在大力发 展军用地面移动机器人项目,个中以美邦“未来建造方式”(FCS) [6]等为代外的研造计 划最为全面。 目下邦内外已经研制出较众种类的军用地面挪动古板人。遵守践诺仔肩种类的各异 [7] 可分为地面无人视察机器人、无人探雷/扫雷呆板人、排爆死板人、疆场突击呆滞人等 ; 固守智能化级别则可分为遥驾御地面车辆(TGV )、半自助前导/后随车辆(SAP/F-UGV )、 [8,9] 平台中央自主车辆(PC-AGV )、汇集中间自主车辆(NC-AGV ) 等。 正在今世兵戈中,刀兵格局正朝着无人化、智能化、高精度的方针展开,由于核、生 化等高技巧兵器的操纵所导致的战地欠安性以及反恐兴办的环境复杂性,使得征战职员 通常囿于自己的生理和心绪畛域,不行齐全如意交战仔肩的须要。假如武装观察滞板人 能够阐扬出它们的全部潜力,这将会有用地普及戎行的征战作用,并在应对自尽式畏缩 主义修筑中极大地低落自身伤亡人数。 1.2 课题研讨方向与有趣 从广义上谈,地面挪动机械人法子属于众规模交织学科,分外是军用移动滞板人的 研讨更是凑集了宏大前沿科学理论与措施操演,对其发展考虑研商拥有极大的理谈价值 和广大的行使前景。 从狭义上叙,当代干戈对无人化兵器的开展提出了紧迫需求。其一,战士在交战中 的伤亡给浩瀚家庭带来了莫大的苦难与深深的障碍;其二,现代干戈的经济政策梦念远 1 万方数据 中北大学学位论文 大于土地吞没幻想,并且今生武器精准毁伤效果较高,这弱化了人在打仗中的名誉;其 三,跟着核、生化兵器的展开和侵犯的伸张,好众战地处境紧急必要无人化武 器加入战役。 目前,国际上已经研制出了较众品种的地面武装板滞人,这类武装死板人大意可分 为以下三类,如表 1.1 所示。 表1.1 地面武装板滞人的分类 分类 结果附加型 火力压制型 武装视察型 在排爆刻板人的刻板臂 在大型遥控平台上加载 兼备查核与武装障碍功 天性 上加载水炮枪或步枪 遥控火器站 能的中小型机器人 火力弱、反映慢、战斗 大口径机枪,火力强, 火力适中,体积较小, 优差池 力弱 实用于阵脚战 实用于混乱战地情况 效果附加型,遍及是为了对排爆滞板人举办功能放大而增加了火器单位 。譬喻 Northrop Grumma 公司的F6A 中型排爆刻板人和 ICOR Technolog 公司的MK3-CALIBER 小型排爆机器人,均恐怕加载水炮枪或步枪等兵器单元。这类呆笨人由于排爆功课乞求 板滞臂举止快度低、精度高、自由度高,因而手臂集体勾当拙笨,加载刀兵单位后修设 响应慢,且众环节的长手臂无法有用杀绝枪械射击呈现的后坐力,导致射击精度特殊低, 正在武装设备中用途有限。 火力压制型,平淡是正在大型遥控平台上加载大口径遥控火器站或火箭弹。比如 FCS 项目中的 AVR-A 大型武装机械人,设备了反坦克导弹和一架高射快机枪。这类武装机 器人常常火力大,体积大,源委性较差,不适当在狭幼、庞大的沙场情况下运用。 武装窥察型,普及是在中幼型调查滞板人平台上加载小口径火器单位。例如 Foster Miller 公司的TALON SWORDS 小型武装滞板人。这类滞板人体积幼,源委性强,携弹 量有限,平淡在错杂战地中充当审核兵与掩袭手的角色。 就方今的国际处境与城市战争性子而言,武装考核型刻板人具有特别空阔的诈骗前 景。而暂时可睹的武装调查古板人众以轮式或履带式行驶机构为主,难以兼具高速性与 全地形适应性。 我们国军用地面移动机械人的研商起步于上世纪 80 年初[10] 。连年来,进程国度 “863 计划”等的引申和民族死板人为业的胀起,所有人邦正在军用地面挪动呆笨人本事限制已博得 了冲突性的发展,屈曲了同腾达国度之间的差距。然而由于他们们们邦伎俩底蕴瘦弱、研究工 2 万方数据 中北大学学位论文 作起步较晚,正在地面无人兵器活络平台的传感器、导航定位、控制及本体设计等合键技 术方面尚且落伍于先辈邦度。而且他国对军用搬动刻板人的研讨项目,众半召集在侦察 古板人和排爆板滞人研究畛域,对武装考核呆滞人的研究尚显不够。 在此布景下,论文针对战争开展的趋向和国内外研讨的不敷,旨在打算一款集武装 阻碍与战场审核为一体的新型六履带轮履复合式中型武装查核呆板人,它同时也不妨应 用在反恐、安保、转圜等场合。 这样一款武装审核呆滞人,也许如意今世陆军和水师陆战队在小范围、速速灵便战 争中的操纵吁请,代替士兵告竣生化战剂 (NBC )查核、半自立猎杀、间接对准、纵深 RSTA 、反掩袭/排泄和轻载荷运输等仔肩。这既是对大家们国地面武装板滞人理论研讨的有 效宽裕,也是对所有人们国军队刀兵建设滞板化、消歇化开创的积极推动与检验。 1.3 军用地面挪动机器人邦内外研究外外 1.3.1 国外军用地面移动呆滞人研讨概况 国表军用地面搬动刻板人的最早的雏形为 20 世纪 40 年代德国在东线沙场上参预使 用的“歌利亚” (Goliath)爆炸物运送车。20 世纪 40 年头后期,苏联发展了大领域的军 用移动呆板人研商。到 80 岁首初期,英国和美国正在政府一面的救援下,也争相发展了 一系列地面挪动刻板人项主意研讨。21 世纪初,呆板人技能、打算机本领和传感器手段 博得了长足长进[11] ,以色列、德邦、法国、俄罗斯、瑞士、韩国、日本等邦均订定了相 应的军用挪动古板人研究策划,并研制出了庞大系列的军用地面移动机械人。 目前,德邦正在地面搬动滞板人处境感知要领方面,新加坡在视觉信息措置妙技、自 动驾驶控造妙技方面具有势必优势,美国则在地面挪动机器人的总体方法水平上抢先于 [2] 其所有人们国家 。 1)美国军用地面转移机器人发闪现状 [7] 美国早正在 1969 年的越南兵戈中,就来源将机器人用于物资运输 ,至今已有胜过 12000 个地面板滞人服役,与参士兵兵数目比到达 1:16[12] 。自 1983 年美国邦防高等研 究筹备局(DARPA )拟订专项无人地面设备平台策划—— 自决地面车辆计议(ALV ) [13] (1983-1990) 的近 30 年来,美国制定了一系列关系研究筹办,如:协同呆滞人规划 (JRP) [14, 15] 、Demo 筹办[16,17] 、战术挪动板滞人经营(TMR) [18] 、越野天真感知谋划 (PerceptionOR)、无人地面战斗车辆筹划(UGCV) [19] 、美国陆军地面古板人法子展开和实 3 万方数据 中北大学学位论文 [20] [6] 验计议 、全部人日作战形式策划(FCS ) 等。并相继推出了《美军刻板人战略白皮书》 [21] 、《美军无人地面车辆试验模范》[22] 、《美军无人地面车辆互用性带领计划》 [23] (Interoperability Profile, IOP ) 等条令,为美军地面挪动滞板人的发展做出了详确而 关理的顶层打算。 美国在军用地面搬动呆板人边界最拥有代表性的通行有以下四款: (1)“纠纷士”(Gladiator)战术无人地面战车(TUGV ) 该款滞板人由卡内基·梅隆大学(CMU )国际机器人权谋中心(NREC )关股BAE 宇航公司的产业团队在 2007 年共同完成。“纠纷士”接收了模块化打算,蕴涵高乖巧、 高保存底盘 (MBU )、责任载荷模块(MPM )和便携式手持控制系统(OCU )三个部分。 决斗士是一款摇应用的多功劳机械人,能够在职何气候与地形下奉行视察、反狙击和直 接射击等仔肩,在换装生化侦察形式(NBC )后也大概扩充生化侦检责任。但其动力系 统为柴油启迪机,所以本人噪音很大,不易于查核时的自谁们潜藏与珍视。 图1.1 早期纷争士 图1.2 中期纷争士 图1.3 后期角斗士 (2 )“帕克伯特”(PackBot )呆板人 iROBOT 公司的 PackBot 呆板人获得了美军的高度承认,并将其举动计谋移动呆滞 [24] 人(TMR )的程序模板 。在伊拉克和阿富汗沙场上,已有赶过 2000 辆的 PackBot 机 器人出席到美军的设备部队中[25] ,这也符号着 TMR 呆板人确切投入了服役状态,然而 该款死板人的习染更多的是用来举动视频窥测利用。 (3 )“魔爪”(Talon )刻板人 “魔爪”及其变种呆滞人是由Foster Miller 公司在 TMR 规划赞同下研制获胜的。 个中一款升级型被称为特种武装、监视、找寻、查核体制(SWORDS ),它大概率领 M240 、M249 机枪不妨巴雷特 50 来福枪[26] 。然而它们的机能并不是很先辈,没有恐怕 正在伊拉克战争上有很英华的体现。美军其后改用其跳级版MAARS 代替了它[27] 。MAARS 4 万方数据 中北大学学位论文 也许率领 40mm 榴弹发射器大概 M240B 机枪,同时还也许增多种种非致命兵器模块。 总体而言,“魔爪”(TALON )系列呆板人更众的是侧重于武装反攻体制的研究,因此 在战场讯歇搜罗方面势力略显亏空。 图1.4 PackBot 机器人在伊拉克战地服役 图1.5 携带死板手的TALON 呆笨人 图1.6 TALON SWORDS 机械人 图1.7 TALON MAARS 古板人 (4 )ARV 武装攻击战车 ARV 是 FCS 项目中最大的武装古板人,也是全国上最大的地面无人战车[28] ,ARV [29] 的早期承包商是协同防务地面编制公司(United Defense Industries ) ,该公司于2005 年被英国 BAE 形式公司收购[30] ,并延续实践了这一钻研任务。ARV 的兵器式样告急是 装备了反坦克导弹、主动火炮和一架高射速火力压制机枪,此外在车身前部还装置了光 电视觉传感器(EO/IR )。它或者奉行考试、通信中继、传感器放置、直接火力侵犯和超 视距火力袭击等负担[31] 。由于该款机器人体积浩大,于是屡屡只可合用于阵地战中,正在 狭幼区域的通过性较差。 5 万方数据 中北大学学位论文 图1.8 AVR-R 三维计划图 图1.9 AVR-A 三维设计图 2 )以色列军用地面移动机械人发涌现状 由以色列埃尔比特形式公司 (Elbit Systems )和以色列飞机家当公司 (Israel Aircraft Industries Ltd. ),以共同公司形式在“卫兵”(Guardium )底蕴上研制的一系列 “前卫守 护者”地面无人车辆,代外着以色列暂时在军用地面移动板滞人界限的最高水平。 “前锋保卫者”领受了以色列飞机家产公司的导航技术和埃尔比特公司的控制系 统。固然该车已经具备了半自主应用气力,大概提前为其编好察看叙途后,由其自助进 行有效避障[32] ,但在本质利用中紧张还因而遥控独霸伎俩对该款呆滞人举办应用。“前 卫守卫者”能够扩充预警考试、修制进攻(需额外设备遥控火器体系)、后勤助助、通 信中继等负担。 图1.10 “保镖”地面搬动板滞人 图1.11 “前锋守护者”地面移动刻板人 3 )德国军用地面移动刻板人发闪现状 洛波沃契公司于 2007 年研制的 AUG-V8 是德国较为进步的无人作战车辆,其打算 理念相似于美国 FCS 谋划中的“骡子”(MULE )。AUG-V8 回收汽油启迪机作为动力, 6 万方数据 中北大学学位论文 恐怕率领 800 公斤负载,但是它不拥有武装提防和反攻气力,并且只可告终遥控控制。 艾伦·前卫公司的“先锋”Mk2D 幼型 UGV 相比 AUG-V8 拥有较高的自主化程度, 况且能够在 100 米的范围内欺骗蓝牙权谋对车辆进行把握。艾伦·先锋公司的古板上风 是研造用于实行爆炸物湮灭、生化探测和未爆弹药处理等责任的UGV ,其“前卫”UGV 体制如今已经十全预警视察实力,但不完满自大家防止和进犯气力。 4 )加拿雄师用地面移动古板人发映现状 埃克尔科技公司(ICOR Technology Inc. )临盆的MK3-CALIBER [32]排爆机械人, 是当前国际墟市上最畅销的排爆死板人之一。它的搬动平台接管了轮履包裹式机构,上 面搭载了两个 3 自在度呆板臂。原委更改最后推行器,恐怕加载古板手、钳子、水炮枪、 步枪等效果单元。 图1.12 搭载水炮枪的MK3-CALIBER 图1.13 搭载步枪的MK3-CALIBER 此表,较有代表性的军用地面移动刻板人尚有俄罗斯的“MRK-27-BT ”作战古板人, 法国的 SAE MC800 爆炸物探测板滞人,瑞士的“间谍呆板人”(Spyrobot )和韩邦的 XAV 武装机器人等。 图1.14 俄罗斯“MRK-27-BT”武装机械人 图1.15 韩邦XAV 武装死板人 7 万方数据 中北大学学位论文 1.3.2 国内军用地面转移古板人钻研外面 他们国军用板滞人研究起步于上世纪七十年月,研究的核心是排爆和搬运呆滞人,如 沉阳自愿化钻研所研发的“灵晰-B ”滞板人,上海茂达伙伴呆滞人公司的“龙警戒” DG-X3B 死板人,北京博创科技群众的 REX530 排爆滞板人,以及北京理工大学的中型 排爆板滞人等。 国内针对地面武装考察呆笨人的钻研则相对较少,况且起步较晚。因为隐秘源由, 个别研究结果无法得知,但从今朝居然的成绩来看,仅有华夏火器物业第 208 钻研所研 制的设备滞板人和南京理工大学研制的地面武装呆板人。 火器 208 研究所研制的征战呆滞人,底盘采取四履带行驶机构设计,拥有很好的越 野精巧性能,并且渡水性能较好,大概在浅水滩域自若行驶,最大爬坡角为 30 °,遥控 边界为 100 米。其武器与防卫方式配备的是一把 79 式打击枪和三个烟幕弹发射器,但 是机器人仅装备了行驶、操瞄摄像头,没有装备充实和先进的其你们侦测摆设。 南京理工大学的地面武装筑制古板人,重约 50Kg,负载浸量35Kg,最高速率2.5m/s , 最大爬坡角 40 °。其火器平台为2 自由度可放大平台,大概分离领导机枪与火箭炮[33] 。 图1.16 “灵晰-B”排爆刻板人 图1.17 “DG-X3B”排爆古板人 图1.18 “REX530”排爆古板人 图1.19 北京理工大学排爆板滞人 8 万方数据 中北大学学位论文 图1.20 中国刀兵208 所设备死板人 图1.21 南京理工大学武装呆滞人 此外,少许民营机械人公司在踊跃摸索武装稽核呆笨人的研发,例如深圳伟翔机 器人有限公司和上海关时智能科技有限公司均有少数样机面世。不过,此类公司由于缺 乏专业的兵器手段,其样机常常不过浅显的装载了一部仿真玩具枪,实战成果有待验证。 1.4 论文的吃紧事情及实质足下 论文的急急事项与安排如下: 第一章 先容课题的研商方针、趣味和国内外军用地面搬动死板人的发展示状。 第二章 介绍地面武装考试机械人的总体安排布置。 第三章 将武装审核滞板人分为行驶系统、承载与留心格局、武器站格式和视察云 台四个模块,应用 Pro/ Engineer 对其离别举行机器计划,并创制实体样机。此外,焦点 推求主驱动电机、翻转臂驱动电机的结婚打算法子,并求出匹配结局。 第四章 针对古板人平台直驶、爬坡、越障、自撑起等几种表率营谋位姿,开展受 力通晓与动力学建模,并诈骗 MATLAB 对所建模型进行数值求解与通晓。 第五章 筑设死板人兵器站的伺服式样模子,形容 PID 伺服控制格局各关头的设计 与参数整定,并对 MATLAB/Simulink 下的格式仿真完结实行贯通。 第六章 开初正在 ADAMS/View 中修设机械人的多刚体动力学模型,然后原委 ADAMS/Controls 与 MATLAB/Simulink 创建板滞人遥控武器站机电体系闭资仿真模子, 继而举办仿真筹算与到底明了。 第七章 在 HyperMesh 和 ANSYS 中,对行驶系统的翻转臂和火器站形式的两个大 臂实行有限元贯通,并进一步对其进行优化策画。 第八章 详细及预计。 9 万方数据 中北大学学位论文 2 武装稽核死板人总体策画 2.1 设计指标及构型认识 2.1.1 计划指标 当初服从本火器格局的运用必要,拟订了地面武装考察死板人的策画职守书,此中 列出了刻板人的主要技战参数,如表 2.1 所示。 表2.1 地面武装侦察呆滞人策画参数 子形式 参数名称 参数指标 外形尺寸 长×宽×高≤1800mm ×1000mm×1000mm 古板人重量 ≤230Kg (不含遥控武器站) 负载能力 水平地面 70Kg 行驶速度 最大 1.6m/s 爬坡气力 ≥30 ° 跨沟宽度 ≥400mm 越障高度 ≥250mm (最大爬坡速率为 1m/s) 反转半径 ≤1600mm 底盘格局 防御等级 IP65 ,全天候 动力电池 36V;控制电池 24V 电池 zkq 有过放、过流、欠压等珍贵成绩 地形适宜性 全地形 事项光阴 2~4 幼时巡航(视例外速度) 工作境遇 -10℃~+50 ℃,湿度≤90% 行驶摄像头 2 路,低照度、带红外滤除成就 接口 模范接口,装配云台、刀兵站等搭载装备 传感器 编码器、电量浮现、陀螺仪、加速率计、惯导体制 标称重量 ≤40Kg (不含兵器站) 武器站目标机射角 360 ° 高低机射角 -30 °~45° 目的机最大转速 15RPM 凹凸机最大转速 10RPM 刀兵站体制 标配枪械 QBZ95 操瞄技能 光电瞄准 视频配备 高清 CCD 摄像头、非冷却式热成像仪 高分贝扩音器 声光体例 高清麦克风 政策强光灯 考察云台 3 自由度云台红外摄像头,伸缩途程300mm 10 万方数据 中北大学学位论文 2.1.2 构型明了 本课题计划 目的的中央包罗三个方面:①集高快性与全地形进程性为一体;②可能 适用于生化、电磁等沙场境况;③火器式样可能速疾切当的定位宗旨。为此,论文严重 从行驶格式构型、承载与注重形式构型、兵器站体例构型和侦察云台四个方面举办领略。 1)行驶式样构型融会 当前,地面搬动呆滞人所接管的行驶机构紧张搜罗轮式、履带式和轮履复闭式三种。 轮式机构正在平整讲面上拥有高速性的甜头,但正在非机合地形中经由性差;履带式机构在 非构造地形中具有很好的原委性,但匮乏乖巧的灵动性;轮履复合式机构兼具高速性与 全地形历程性的益处,不确是组织相对繁芜。 武装调查死板人的功课环境中,最常睹的地形为平面、斜坡、障碍、台阶和弹坑等, 所以对全地形颠末性有较高乞请;由于它在战争中时常充任考核兵与狙击手的脚色,所 以对灵活性也有较高乞请;再商讨到火器射击时会涌现较大的后坐力,为了普及射击精 度必要恳求其底盘拥有较好的车身稳定性。 归纳推度以上三点,论文将接管革新计划的六履带轮履复合式方式行为其行驶系 zkq 统。正在优越地面上,车轮不妨阐扬高机动性的特性,正在爬坡、越障、攀登台阶时,六履 带机构则能够发挥优良的全地形历程性能。 2 )承载与警戒构型懂得 呆笨人的底盘箱体为武装考核机器人的紧要承载空间,对下,是行驶机构的依附主 体;对中,是控制体系和电源系统的庇护单位;对上,是兵器站和考试云台的承载平台。 正在保证箱体具有敷裕强度的同时,还应该考究到呆笨人集体的轻量化,以及行驶机构组 装、拆卸的利便性和在生化、电磁情况下的抗干扰气力。 综关以上诸点,承载箱体将采取 LY12 资料的拼集式箱体计划,拼凑板件之间嵌入 单项金属丝。LY12 为硬质铝闭金资料,兼备了质料轻与强度高的利益;拉拢式箱体结 构也许轻易两侧行驶机构的安装与拆卸;单项金属丝与密封圈则不妨对箱体里面电子元 件进行有用的防水、防尘和电磁屏障保护。 3 )武器站体制构型明了 兵器站安排的核心是凹凸机和主意机的策画,以及奈何实现其快快、确凿的定位目 标。对此,论文将接受直流伺服电机对高低机和宗旨机实行驱动,并设计响应的PID 伺 11 万方数据 中北大学学位论文 服控制编制。除此以外,遵守武装机械人可能全天候功课的需要,还应在刀兵站中加载 CCD 红表摄像头、热能成像仪、激光测距仪等设备。 4)调查云台构型明确 打算义务书央求板滞人拥有探出矮墙或阻碍物举办考核的气力,这就吁请机器人具 备视野迥殊宽广的审核摆设。本计划被选用方针角 360 °,崎岖脚角-30 °~210 °的红外 高清 CCD 摄像头,并将其安装正在导程为 300mm 的起落云台上。 2.2 编制组成与组织 zkq 图2.1 地面武装考试滞板人编造样机 1-行驶体制;2-承载与防备格局; 3-武器站格局; 4-调查云台 如上图所示,地面武装调查呆笨人重要由四个局部组成,其中行驶方式为六履带轮 履复合式机关,承载与提防格局为拼集式密封箱体,火器站格式为携带 QBZ95 与光电 元件的 2 自由度呆笨臂,考核云台为领导 CCD 红外摄像头的可伸缩 3 自由度云台。 2.3 本章小结 本章先容了地面武装呆笨人的安排指标,并按照呆笨人的用处和愚弄境况,对呆笨 人的行驶体例、承载防备体制、兵器站式样和窥探云台举行了打算构想,末了经历伪造 样机图显示了地面武装窥察呆笨人的体制组成与构造。 12 万方数据 中北大学学位论文 3 武装考试呆板人板滞安排与电机成家 3.1 行驶形式安排 3.1.1 行驶式样总体结构 本文设计了一种新型六履带轮履复合式转移行驶系统。机器人履带轮的外径小于车 轮,在高快活跃时,前后翻转臂均收起,仅有车轮着地,所以或许以较高速度行驶;正在 凹凸楼梯和越障时,前后翻转臂适宜调整角度恐怕起到辅助教养,主履带则起到辅助车 体中间片面胜过曲折物和向随动轮转达转矩的感动。此外,在狭幼空间中,车轮还大概 快速拆除,板滞人大概仅依托其履带机构实行功课。周密计划结构如图 3.1 所示。 3 2 1 zkq 4 5 图3.1 六履带轮履复合行驶系统单侧映现 1-张紧轮系; 2-主履带轮系; 3-翻转臂轮系; 4-轮胎; 5-压带轮系 图3.2 六履带轮履复合行驶格式实体样机崭露 13 万方数据 中北大学学位论文 3.1.2 行驶体系传动打算 10 9 8 7 6 5 4 5 3 11 2 6 1 12 13 图3.3 行驶体系剖视图 1-翻转臂; 2-内轴;3-外轴; 4-横轴; 5-翻转臂驱动减疾电机; 6-主驱动减速电机; 7-轴承座; 8-轮胎;9-主履带;10-翻转臂履带;11-箱体;12-主履带驱动轮;13-翻转臂外驱动轮 主驱电机接受对角线安放,每台减速电机经过传动内轴同时驱动轮胎和翻转臂表驱 动轮;翻转臂外驱动轮经历翻转臂履带发动其内驱动轮盘旋;因为翻转臂内驱动轮与主 zkq 履带驱动轮为大伙构造,故而或者进一步颠末主履带发动随动轮挽回。主驱动扭矩传动 通过,如图 3.4 所示。如许安排的兴趣正在于,过程交织安放的两台主驱动电机或许杀青 四轮驱动成果。 为了使内部空间更紧凑,翻转臂驱动电机同样回收前后对角线放置。每一台驱动减 速电机经历锥齿轮副带动横轴盘旋,横轴经历圆柱直齿轮副策动表轴回旋,进而驱动一 对翻转臂同步转动。翻转臂驱动扭矩传动示胡念,如图3.5 所示。 在本安排中,寻求到对防爆和密封的哀求,主减速器均接受供给商供给的集成正在电 机上的直轴式行星减速器,自行设计的传动部件配闭主减速竣工减快与扭矩转达仔肩。 图3.4 主驱动电机扭矩传动示阴谋 图3.5 翻转臂驱动电机扭矩传动示希望 14 万方数据 中北大学学位论文 3.1.3 嵌套轴捆扎构设计 好手驶系统的策画中,要求结构真实、紧凑、面子,这里的策画难点正在于:①车轮 与主、副履带必要同步回旋,况且正在拆除车轮的处境下不感染履带局限的平常运行;② 翻转臂在底盘静止和行进时,要均可能相对主轴自正在诊疗角度。 周旋问题①,安排安排是:驱动电机驱动内轴 8,内轴最后链接法兰四26,法兰四 外圈对内经由双面法兰 27 与翻转臂驱动外轮 28 连绵,此时翻转臂履带 30 的同步扭转 会进一步带动主履带驱动轮 13 旋转,从而主履带 1 也随着同步回旋;法兰四26 表圈通 过锥形法兰 25 与车轮轮毂联贯,杀青同步旋转。当拆除车轮时,履带行驶机构照样可 以寻常运行,符闭打算仰求。 应付问题②,打算计划是:驱动电机颠末齿轮副驱动外轴 6,外轴 6 经由键与摆臂 29 链接,从而告终翻转臂相对主轴角度的调理。 除此之外,在内外嵌套轴系的群众安排中,还必要探究到IP65 的防水、防尘仰求, 因此在内、外轴上的每对深沟球轴承之间加装了骨架油封和防咬死薄隔套。 zkq 图3.6 内外嵌套轴构造计划图 1-主履带;2-箱体侧板;3-轴承座; 4-骨架油封;5-深沟球轴承;6-外轴; 7-轴承; 8-内轴; 9-锁紧螺母;10-法兰; 11-轴承; 12-法兰; 13-驱动轮; 14-螺钉; 15-弹垫;16-平垫; 17-锁紧螺母;18-平键; 19-轴承; 20-隔套; 21-骨架油封; 22-法兰;23-平键; 24-锁紧螺母;25-锥形法兰;26-法兰; 27-双面法兰;28-驱动外轮; 29-摆臂;30-履带; 31-惰轮轴; 32-惰轮 15 万方数据 中北大学学位论文 3.2 承载与防卫式样计划 箱体的计划接收浮板式与梁式相结合的谋略。为了担保箱体有足够的强度与密封 性,箱体底部和前后的巩固筋可直接正在铝板上铣出。不过,因为板材较厚无法进行昭彰 折弯,故而前背面板须要接受焊接手段进行相接。为了便于行驶机构的安装与拆卸,两 侧面板经历螺栓与底仓实行毗连,并正在悉数接连面插手单向金属丝与密封圈,从而达到 电磁屏蔽与防水防尘的熏陶。 图3.7 承载箱体底部三维图 图3.8 承载箱体内部三维图 箱体承载与留意诸元如下: 9 10 11 12 5 13 1 2 3 4 5 6 7 8 图3.9 箱体承载诸元 (剖视图) 1-水平激光测距仪; 2-CCD 摄像头; 3-储物盒; 4-控制电道;5-翻转臂传动组件; 6-翻转臂减快电机组件;7-固定电机线-锂电池; 12-主驱动减速电机组件;13-外置天线 万方数据 中北大学学位论文 3.3 武器站体系打算 3.3.1 火器站体系总体计划与布局 武器站格局由倾向机组件、坚持组件、高低机组件、枪械组件、视频盒五个个别组 成。各个组件的打算与构造如下: 倾向机组件,网罗底座、肩轴系、直流伺服减快电机和表壳等。 维持组件,蕴涵防爆驱动盒、左大臂、右大臂和声光集成盒等。 坎坷机组件,征求直流伺服减速电机、传动齿轮组、耳轴等。 揺架组件,席卷 QBZ95 机枪、枪械夹持器、操瞄用激光测距仪和击发继电器。 视频盒组件,征求高清红外 CCD 摄像头、非冷却式热成像仪和视频盒等。 刀兵站系统的供电与通信,进程底座正下方的 24 芯航空插头与呆滞人底盘舱体衔 接,由底盘关并提供。 9 8 7 6 5 4 10 3 2 11 1 图3.10 武器站编制三维计划图 1-底座; 2-目的机; 3-防爆驱动盒; 4-左大臂; 5-声光盒(含语音、灯光等); 6-高卑机;7-QBZ95 机枪;8-激光测距仪;9-高清红表 CCD 摄像头;10-非冷却热能成像仪; 11-右大臂 17 万方数据 中北大学学位论文 3.3.2 标的机打算 宗旨机的大齿轮源委键延续固定在底座上,小齿轮颠末键持续固定在减快电机输出 轴上,减快电机则装配正在倾向机转台外壳上。当减速电机盘旋时,齿轮副会鼓动倾向机 转台环抱底座上的肩轴回旋,完成周向调炮奏效。由于火器站编制是“即插即用”的模 块化打算,为了珍摄肩轴底部的插座元件,需要在深沟球轴承中间到场骨架油封,做好 密封珍摄事项。 13 10 11 12 9 3 4 5 6 7 5 8 1 2 图3.11 高卑机构造通晓图 1-底座; 2-平键; 3-大齿轮; 4-锁紧螺母; 5-深沟球轴承;6-骨架油封; 7-隔套薄环;8-轴端挡圈; 9-倾向机表壳; 10-锁紧螺母盖;11-小齿轮; 12-伺服减快电机; 13-线 高卑机策画 坎坷机直接安装在独揽大臂上,如图 3.12 所示,左大臂上层壳体动作坎坷机的减速 箱壳体愚弄。当直流伺服减速电机挽回时,小齿轮启发大齿轮扭转,进而发动高低机输 出耳轴扭转。为了便于枪械组件的装置,高卑机输出轴分为积极耳轴与从动耳轴两部分, 从动耳轴安装正在右大臂上。主、从动输出耳轴末端均为花键计划,这不妨提升其与枪械 组件连接的安稳性,低重一口气间隙对射击精度的重染。 18 万方数据 中北大学学位论文 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 1 2 3 图3.12 方针机组织设计图 1-左大臂; 2-幼齿轮; 3-直流伺服减快电机;4-主动耳轴; 5-深沟球轴承;6-大齿轮; 7-轴端挡圈;8-深沟球轴承;9-减快箱端盖; 10-从动耳轴;11-轴端挡圈; 12-深沟球轴承; 13-右大臂 3.4 考试云台设计 稽核云台由伸缩杆、直流推杆电机、高清红外 CCD 摄像头组成。伸缩杆的导程为 300mm,内表杆之间装配了非常整洁、耐脏、耐磨的塑料滑动轴承。摄像头内里曾经安 装少见字马达,大概周向 360 °,前后-30 °~210 °旋转。 4 3 2 1 图3.13 考试云台组织计划图 图3.14 视察云台实体浮现图 1-底座; 2-伸缩杆; 3-直流推杆电机; 4-高清红外CCD 摄像头 19 万方数据 中北大学学位论文 3.5 电机与减速器的成婚盘算研究 正在本安排中主驱动电机和翻转臂驱动电机采纳直流无刷电机,宗旨机驱动电机和高 低机驱动电机采取控制精度更高的直流伺服电机。这两类电机所装置的减疾器均由直轴 减速器与变向减快齿轮副两个人构成,直轴行星减疾器体积幼、传动成果高、密封性好, 起到急急减疾感动;变向减速齿轮副的诈欺严浸是为了到达变革扭矩输出方向的教化。 谈理图如图 3.15 所示。考试云台伸缩杆的驱动电机,直接按照云台浸量、伸缩导程和升 降快度遴选直线推杆电机即可。 锂电池 id 变向减速个别 驱动电机 A ic 直轴式行星减快器

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