移动小车弯道运行的轨迹分析

势,在室外探索、智能仓储、新型物流等领域使用影响逐步在自动化生产车间的应用也日益广泛。移动机器人通过搭载随着工业4.0及智能制造水平的不断提高，工业机器人

一定的负载实现对与车间内物料的搬运、对接、仓储等一系列功能。机器人搬运负载通常有背负式及牵引式两种形式，前者通过机器人搭载的提升模块将负载顶升从而实现背负运输，后者则是将物料放置于带脚轮的小推车中，机器人通过对推车的牵引实现物料的搬运。由于生产车间内空间范围有限，机器人在搬运物料过程中，其外轮廓的扫略轨迹至关重要，尤其是弯道行走时，机器人的甩尾现象实有发生，经常会导致碰撞甚至是撞到人员的情况，因此在设计之初，需■要对机器人行走过程中的轨迹进行仿真分析 1.2 机器人运动学轨迹

[3-5]。

几个边缘点作为分析的观测点，分析观测点在机器人运动对于机器人的轨迹仿真分析，可以选取机器轮廓中的过程中的轨迹。首先需要选择一款合适的运动学仿真软件，在软件中建立小车运动的运动学模型。Adams款常用的动力学分析软件也可以用作运动的轨迹分析。但

软件作为一在要借助一款机械建模软件进行模型的建立。为了简化仿真过Adams中建立移动机器人的模型是非常复杂的，因此需程，减小模型冗余度，需要在将建立的机器人模型进行适当简化，提取出有关键运动关系的零部件。在移动机器人中，可以在整个车体作为一个单独的零部件，将两个驱动轮及四16󰀁󰀁|󰀁󰀁电子制作󰀁󰀁󰀁󰀁2019年06月

个活动脚轮独立开来，分别进行模型的建立。将建立好的模型导入到仿真软件中后，需要进行适当的模型处理和错误排除，并且建立虚拟地面的模型，以使得机器人可以模拟地面行走的情形。值得注意的是，机器人与地面间的初始状态应保证轮子跟地面间完全相切。的约束关系。其中，驱动轮的转动轴应与车体固定，而两进行运动学轨迹的仿真，需要在Adams中建立好适当

边驱动轮与转轴间施加铰链约束。四个脚轮与车体间也以的适当的形式施加铰链约束。虚拟地面应固定在实际空间内合适的接触，包括接触力的选择及两者之间的摩擦设置。完ground中。另外，应使得小车车轮与虚拟地面间应施加

真实的情况，可对于驱动轮的转动进行运动施加，可以采用成约束和接触的设置后，即可进行运动的施加，为了模拟虚拟地面的表现以想要的形式运动。进行仿真分析后，可通Adams的step函数模拟车轮加减速的过程，使得机器人在机器人的运动及打滑等现象进行分析。

过对于车体质心、轮廓观测点的运动轨迹及速度的变化对于

2 仿真分析方法

对其进行简化。利用机械建模软件对于移动机器人的仿真分析，首先需要建立其模型，并

建立及简化处理，并导入到adamssolidworks中建立相应的运动学分

进行模型的析模型。

■ 2.1 机械建模软件solidworks

是当今领先的，主流的Solidworks是一款功能强大，组建繁多的建模软件，

设计方案，减少设计过程中的错误以及提高产品质量。CAD解决方案，能够提供不同的的完成拖放，点击，复制（剪切）及粘贴等，容易上手。

solidworks配合Windows下丰富的鼠标动作，能够方便图拉伸与放样，阵列，倒角，抽壳，运算等方式建模出需

SolidWorks能够运通多种方式，如基本几何体，草要的几何体，并且有海量的标准零件库供用户使用。在

SolidWorks 中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零

件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，

SolidWorks 的性能得到极大的提高。solidworks地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动可以动态成重复设计。

态的干涉检查和间隙检测。同时可以用智能零件技术自动完■ 2.2 运动学仿真分析软件互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的ADAMS是一款运动学分析软件。ADAMSadams

软件使用交

机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加

系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械

元的输入载荷等。

3 移动小车仿真

■ 3.1 移动小车模型

型进行简化，将模型中复杂的零件进行合并，删除或简化，通过SolidWorks对现今常用的仓库内的移动机器人模

并将车轮和以及万向轮轴承进行单独装配，设置好零件之间

的约束关系，保证模型能够正常导入ADAMS进行分析[6,7]。

图■ 3.2 弯道行走运动学模型

1 移动机器人的简化模型面的模型，对部件的位置进行调整，使两个驱动轮，四个从

在ADAMS中导入简化后的移动小车模型，建立虚拟地

动轮与地面间处于接触相切状态。设置动力学模型的约束，首先需要将设置的虚拟地面进行固定，设置两个驱动轮与轮轴之间的转动副，并设置脚轮机构与车体间的转动副。对于接触力计算的参数，应到网上去查询相应材料之间的相应参数并在擦因数，动摩擦因数，碰撞恢复系数，材料劲度系数等都有ADAMS中进行相应的设置。 对于不同的材料，静摩不同。不同的参数会导致受力分析时受力的变化不同。之后要对驱动进行设置，对驱动轮出的转动约束施加一个运动的驱动，从而使小车能在虚拟环境中动起来。

个驱动轮不同的运动状态来实现。对运动参数的设置，需要

要实现小车不同状态的运动过程仿真，主要通过设置两

利用step函数，使车轮从静止到加速到差速再到等速。不

实验研究

同的状态对应着不同的据进行观测和显示。step函数。仿真后可以对结果的数图2 小车直线行走及转弯时的仿真结果可以看出，通过改变两个驱动轮的不同运动状态可以小车整图2分别为移动小车直线行走及弯道行走时的结果，

测，结合小车车轮的转速，可得小车沿前进轴方向分速度与体的运动轨迹和方式。通过对小车整体的运动速度进行观

时间曲线如图3所示。 图通过计算发现车轮在小车行走直线时车轮的线速度始

3 小车的y轴方向分速度-时间图像终大于这可能是由于对模型车轮的简化严重，导致计算出的摩擦因y轴的分速度，因此可知车轮在走直线时始终在打滑。

数小于实际的摩擦因数或者是step函数无法完全模拟小车侧滑。

擦力提供的向心力不足，导致小车在过弯减速的时候发生了

加速的过程导致的。通过观察车轮轨迹的形状发现，由于摩

4 结论

通过对移动机器人的运动学仿真分析，可以得到如下结论：应注意利用传感器时刻检测移动机器人的位置，及时修正车

（1）在移动机器人加速过程中，容易发生打滑现象，

轮的转速，应注意车轮的花纹，防止由于轨迹的计算错误而发生碰撞。在生产中，控制模块编程时应注意在转弯时减速，（2）在移动机器人转弯时，速度不宜过快，在给内部增加车轮与地面间的摩擦因数，减少打滑。

（3）移动机器人转弯的轨迹不应仅靠计算得出，应注

减少打滑现象的发生。意实际。当使用公式计算两个轮子到转弯中心距离时，应注

意留出10%-20%的误差。避免发生碰撞。www�ele169�com󰀁󰀁|󰀁󰀁（下转第19页）

17

实验研究

信。还可以在异地通过发送短信的方式来控制家用电器。从而实现正真意义上的远此模块与单片机的通讯方式同样是串口通讯，通过AT指令集来发送相应的命令，大大减轻了程序设计是的难度。程智能家居控制，具有很强的可操作性。

图3 GSM工作状态图号/接听/短信/GPRS通讯，供电电压为直流5V,模块自带

咪口和扬声器接口，但本系统只需将电源正负极和TX、RX对向单片机发送指令，然后单片机通过SWITCH语句进行判断向SIM800C发送拨号与短信的AT指令，就可以实现与单片机接入即可［7］。SYN7318模块接收语音信息通过比

图2 蓝牙模块连接图语音拨打电话和发送短信的功能,GSM工作状态如图3所示。

3 软件设计

4 结论

■ 3.1 语音模块相关配置

块与单片机之间串口通讯的波特率为9600bps。模块内读的词汇和预设的命令词都是由上位机下载到模块内部，上位的方式进行封装后传输。上位机发送启动语音识别或语音唤醒功能的命令给语音模块，模块把从麦克风采集到的语音数据，通过内部的识别模块进行转换成相应的识别结果，通过通讯接口回传给控制器模块。■ 3.2 蓝牙、继电器的配置

继电器模块采用的是市面上通用的带光耦隔离的继电机发送给SYN7318模块的所有命令和数据都需要用“帧”

为了确保各个模块之间数据传输的准确性，设置语音模

制系统设计与开发，硬件上ARM公司的STM32F103C8T6和宇音天下公司的SYN7318语音模块为核心，利用单片机的串口通讯方式连接蓝牙模块、继电器模块、GSM传感器际应用与研发价值。

参考文献本文研究基于SYN7318语音识别的智能家居嵌入式控

模块，实现了非特定人生的语音控制及家用电器以及远程拨打电话、定位以及实时天气情况播报灯功能，具有一定的实

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科技与创新,2018,(5):130-131.科技大学 ,2011.

器，通讯方式为串口通讯（TTL电平），IO口高电平为3.3V,

供电电压为5V,用户可以根据个人需要自定义控制模式，即模块通讯简单，在系统上电之前可单独的对模块进行配置，RXD 则连接单片机的RXD和TXD即可。■ 3.3 GSM传感器SIM800C配置

（上接第17页）参考文献＊ [1] 徐国华, 谭民. 移动机器人的发展现状及趋势[J]. 机器人技术

几点起的开关与闭合。蓝牙模块采用广州汇承的HC-05，模块与单片机连接最少只需要 4 根线即可：VCC、GND、TXD、RXD，VCC和GND用于给模块供电，模块 TXD 和

四频GSM/GPRS模块SIM800C通过AT指令可进行拨

＊ [4]刘火良 .STM32库开发实战指南[M].广州:机械工业出版＊ [5]北京龙邱智能科技有限公司.SYN7318 语音交互开发手册[Z].＊ [6]广东汇承信息科技有限公司.HC-05蓝牙串口模块用户手册＊ [7]正点原子.GSM传感器SIM800C模块用户手册[Z].广州,2016.＊ [4]徐向荣, 马香峰. 机器人运动轨迹规划分析与算法[J]. 机器人, ＊ [5]戴学丰, 边信黔. 6自由度水下机器人运动轨迹滑模控制[J]. ＊ [6]隗寒冰, 邓楚南, 何文波. 基于ADAMS软件的汽车平顺性仿＊ [7]汪惠群, 郑建荣. 在 ADAMS软件中虚拟样机的参数化建模与分析[J]. 机械制造, 2004, 42(10):41-43.

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