Dynamics and Wheel's Slip Ratio of a Wheel-legged Robot in Wheeled Motion Considering the Change of Height

The existing research on dynamics and slip ratio of wheeled mobile robot （WMR） are derived without considering the effect of height, and the existing models can not be used to analyze the dynamics performance of the robot with variable height while moving such as NOROS- Ⅱ. The existing method of dynamics modeling is improved by adding the constraint equation between perpendicular displacement of body and horizontal displacement of wheel into the constraint conditions. The dynamic model of NOROS- Ⅱ in wheel motion is built by the Lagrange method under nonholonomic constraints. The inverse dynamics is calculated in three different paths based on this model, and the results demonstrate that torques of hip pitching joints are inversely proportional to the height of robot. The relative error of calculated torques is less than 2% compared with that of ADAMS simulation, by which the validity of dynamic model is verified, Moreover, the relative horizontal motion between fore/hind wheels and body is produced when the height is changed, and thus the accurate slip ratio can not be obtained by the traditional equation. The improved slip ratio equations with the parameter of the vertical velocity of body are introduced for fore wheels and hind wheels respectively. Numerical simulations of slip ratios are conducted to reveal the effect of varied height on slip ratios of different wheels. The result shows that the slip ratios of fore/hind wheels become larger/smaller respectively as the height increases, and as the height is reduced, the reverse applies. The proposed research of dynamic model and slip ratio based on the robot height provides the effective method to analyze the dynamics of WMRs with varying height.

Influence of Tire Dynamics on Slip Ratio Estimation of Independent Driving Wheel System

The independent driving wheel system, which is composed of in-wheel permanent magnet synchronous motor（I-PMSM） and tire, is more convenient to estimate the slip ratio because the rotary speed of the rotor can be accurately measured. However, the ring speed of the tire ring doesn’t equal to the rotor speed considering the tire deformation. For this reason, a deformable tire and a detailed I-PMSM are modeled by using Matlab/Simulink. Moreover, the tire/road contact interface（a slippery road） is accurately described by the non-linear relaxation length-based model and the Magic Formula pragmatic model. Based on the relatively accurate model, the error of slip ratio estimated by the rotor rotary speed is analyzed in both time and frequency domains when a quarter car is started by the I-PMSM with a definite target torque input curve. In addition, the natural frequencies（NFs） of the driving wheel system with variable parameters are illustrated to present the relationship between the slip ratio estimation error and the NF. According to this relationship, a low-pass filter, whose cut-off frequency corresponds to the NF, is proposed to eliminate the error in the estimated slip ratio. The analysis, concerning the effect of the driving wheel parameters and road conditions on slip ratio estimation, shows that the peak estimation error can be reduced up to 75% when the LPF is adopted. The robustness and effectiveness of the LPF are therefore validated. This paper builds up the deformable tire model and the detailed I-PMSM models, and analyzes the effect of the driving wheel parameters and road conditions on slip ratio estimation.

A Fuzzy-based Sliding Mode Control Approach for Acceleration Slip Regulation of Battery Electric Vehicle

Due to quick response and large quantity of electric motor torque,the traction wheels of battery electric vehicle are easy to slip during the initial phase of starting.In this paper,a sliding mode control approach of acceleration slip regulation is designed to prevent the slip of the traction wheels.The wheel slip ratio is used as the state variable for the formulation of system dynamics model.The fuzzy algorithm is utilized to adjust the switch function of sliding mode controller.After stability and robustness analysis,the sliding mode control law is transferred into C code and downloaded into vehicle control unit,which is validated under wet and dry road conditions.The experimental results with a small overshoot and a quick response during starting indicate that the sliding mode controller has good control efect on the slip ratio regulation.This article proposes an acceleration slip regulation method that improves the safety during acceleration for battery electric vehicle.

Analysis of torque transmitting behavior and wheel slip prevention control during regenerative braking for high speed EMU trains

The wheel-rail adhesion control for regenerative braking systems of high speed electric multiple unit trains is crucial to maintaining the stability,improving the adhesion utilization,and achieving deep energy recovery.There remain technical challenges mainly because of the nonlinear,uncertain,and varying features of wheel-rail contact conditions.This research analyzes the torque transmitting behavior during regenerative braking,and proposes a novel methodology to detect the wheel-rail adhesion stability.Then,applications to the wheel slip prevention during braking are investigated,and the optimal slip ratio control scheme is proposed,which is based on a novel optimal reference generation of the slip ratio and a robust sliding mode control.The proposed methodology achieves the optimal braking performancewithoutthewheel-railcontactinformation.Numerical simulation results for uncertain slippery rails verify the effectiveness of the proposed methodology.

基于应力分布的月球车轮地相互作用地面力学模型

轮地相互作用地面力学在月球车的设计、性能评价、控制和仿真等方面具有重要作用,是目前基于动力学进行月球车相关研究的瓶颈。基于此,利用针对月球车开发的车轮—土壤相互作用测试系统进行试验,结合试验数据对传统车辆轮地相互作用正应力和切应力分布模型进行修正,并分析月球车轮刺高度对应力分布的影响,从而提出随滑转率变化改变沉陷指数的经验公式,以反映土壤侧向流动等引起的滑转沉陷。对应力分布公式积分得到集中力/力矩计算模型,并结合试验数据进行验证。在载荷为80N,滑转率从0.05增加到0.6时,模型对于车轮垂直载荷、挂钩牵引力和驱动力矩的计算值与试验数据相比,相对误差不超过10%。模型能够反映滑转沉陷和轮刺效应,可以有效地用于月球车轮地相互作用力学的计算。

双电机后轮驱动混合动力汽车电子差速控制的研究

针对双电机后轮驱动混合动力汽车电子差速的控制问题,考虑车辆转向时轴荷转移、向心力和轮胎侧偏角的影响,以车轮的滑移率为控制目标,提出了基于门限值控制的电子差速控制策略,并在Matlab/Simulink环境下进行了仿真。结果表明,该电子差速控制系统可在车辆直线行驶和转弯时将滑移率控制在最佳范围内,使车辆能按照预定方向稳定行驶。

基于制动系统的汽车车轮滑移率控制研究现状

在分析了轮胎滑移率控制在汽车动力学控制中的作用,指出了被控车辆的非线性和时变性及其制动系统的非连续性和滞后是造成滑移率控制困难的主要原因的基础上,从制动系统、控制方法和研究手段3个方面概述了基于制动系统的轮胎滑移率控制研究现状,并提出了未来滑移率控制研究的主要方向。

滑转条件下星球车坡面通过性评估试验

星球车是执行深空探测任务的主要移动平台,针对星球表面崎岖地形地貌,开展滑转条件下星球车坡面沉陷研究,确保其安全通过性能具有重要意义。基于传统地面力学研究方法,以速度和坡度为试验因素,车轮滑转率和沉陷为试验指标,开展滑转条件下的缩比星球车坡面沉陷试验;分析了试验因素对各车轮滑转率影响,以及不同滑转率和速度条件下沉陷变化规律,建立了滑转率关于坡度的一元二次模型。结果表明,模型车前轮和中间轮的滑转率随速度和坡度变化趋势总体趋于一致,与后轮滑转率变化趋势明显不同。坡度为25°时,前轮和中间轮滑转率最大值达到92.3%,后轮相应的最大滑转率为61.8%。试验条件下,各车轮沉陷最大值分别为33.1 mm（前轮）、33.9 mm（中间轮）和13.6 mm（后轮）;当滑转率的范围为25%～60%时,前轮和中间轮沉陷增加的较为平缓,平均增加率为22.5%,对于后轮滑转率超过35%后,沉陷变化较小,波动范围为-1.3～1.8 mm;速度对各车轮沉陷的影响明显较滑转率的小,沉陷的相对变化率范围为-12.5%～10.7%。该研究可为低重力环境下星球车研制、坡面通过性评估提供参考。

基于地面力学的月球车爬坡轮—地相互作用模型

月球车爬坡地面力学模型在月球车的设计、越障性能评价、控制和仿真等方面具有极其重要作用.利用月球车轮地相互作用测试系统进行车轮爬坡性能实验,结合实验数据在传统车轮—土壤相互作用应力分布模型之上推导出爬坡轮—地相互作用模型,同时考虑爬坡角度对浅层月壤应力分布的影响,提出了随滑转率变化的沉陷因数经验公式,来反映月壤压实、刮带、侧向流动等引起的滑转沉陷.通过对应力分布公式进行积分转化得到集中力/力矩计算模型,利用ADAMS二次开发的柔性爬坡仿真环境并结合实验数据进行模型验证.在斜坡角度为16?,载荷为100 N,当滑转率从0增加到0.6时,将模型的车轮斜坡法向载荷、挂钩牵引力和驱动力矩的计算值与实验数据相对比,结果相对误差不超过10%,因而该爬坡模型可以有效地用于月球车轮地相互作用的力学计算.

基于滑差率分析的轮轨材料摩擦磨损特性研究

随着列车速度的提高和轴重的加大,轮轨的失效往往影响了铁路的正常运行,甚至存在着安全隐患。目前对于影响轮轨磨损性能的研究仅限于轮轨材料、接触应力、轴重、车速等因数,尚未对滑差率的影响进行研究。提出基于滑差率分析的重载轮轨间的磨损行为故障研究,利用GPM-30型滚动接触摩擦磨损试验机,采用双轮对接接触方式,建立轮轨间隙曲线与轮对横移量之间的面积模型,通过改变滑差率来研究其轮轨摩擦磨损性能的变化规律。对磨损后试样表面的扫描电镜观察,分别阐述了不同滑差率下车轮试样表面以及钢轨试样表面的磨损形貌特性,试验验证了不同滑差率对轮轨磨损性能的影响因素。

一种在驱动轮打滑情况下爬壁机器人动力学建模方法

分析了轮式爬壁机器人(WWCR)在壁面作业容易发生打滑的原因,在建立其理想纯滚动假设条件下的动力学模型基础上,基于车辆动力学理论,引入单个驱动轮的动力学方程,提出了一种在驱动轮打滑情况下WWCR的动力学建模方法.仿真算例表明,吸盘吸附力和壁面附着系数对WWCR运动轨迹影响非常大;在复杂的壁面环境下,可通过对吸盘吸附力和驱动轮力矩的协调控制,合理调节轮子的打滑程度,获得尽可能大的附着系数,并弥补打滑造成的运动轨迹偏移,从而获得良好的壁面运动性能.该建模方法为WWCR在打滑情况下的运动控制和路径规划提供了理论研究基础.

车辙图像频域分析及星球车车轮滑转率估计方法

在月面环境下车轮滑转影响月球车的运动性能和定位精度,针对星球车车轮滑转率检测问题,提出一种基于车辙图像频域特征的滑转率估计方法。通过分析车轮与土壤相互作用过程与车辙形成机理,建立车辙的时域参数化解析模型。并在车辙构造时域解析模型基础上,通过对车辙图像进行频域分析,建立了基于车辙图像基频特征的车轮滑转率估计模型。此外,介绍了一种适用于该方法的车辙频域特征提取和图像处理技术。通过试验证明,该方法只需检测车辙图像基频便可以实现车轮滑转率非接触式精确估计。采用本方法估计车轮滑转率,相对精度可达3%。

轮式移动机器人沙地行驶控制建模与仿真研究

结合车轮沙土相互作用的力学分析,研究解决轮式移动机器人沙地行驶车轮过度滑转下陷问题。考虑纵列式重复通过车轮沙土力学参数的修正,建立六轮式沙地移动机器人的动力学模型,以车轮滑转率为状态变量,设计了移动机器人沙地行驶的滑模驱动控制器跟踪车轮期望滑转率。MATLAB/Simulink仿真结果表明,采用该控制器可以较快地跟踪期望滑转率,有效地限制机器人车轮的滑转,避免车轮的过度下陷。

基于滑转率的六轮纵列式月球车驱动控制研究

基于车轮滑转率和车轮地面力学,研究了月球车在松软月面行驶时的车轮过度下陷问题.将月球车车轮下陷和车轮—土壤作用力表达为车轮滑转率的函数,结合车辆地面力学理论并考虑纵列式车轮多通过性土壤参数的修正,建立了月球车的动力学模型.判断车轮是否发生过度下陷的标准为土壤所提供给驱动轮的土壤推力能否克服土壤对车轮的阻力.利用建立的动力学模型,计算出能够保证车轮不会过度下陷的期望滑转率.考虑到月球车动力学系统的非线性和不确定性,设计了以车轮滑转率为状态变量的滑模驱动控制器.仿真结果表明,采用该控制器可以较快地跟踪期望滑转率,避免车轮的过度滑转下陷,保证月球车能够在软质路面上正常行驶.

基于滑移率的电子机械制动模糊滑模控制

建立汽车电子机械制动系统及1/2车辆动力学模型。针对电子机械制动系统的不确定性和非线性问题,提出一种基于滑移率的电子机械制动模糊滑模控制算法用于实现常规制动和紧急制动。该算法结合车辆制动过程中前、后轴载荷的动态变化设计滑模等效控制量,采用模糊校正器调整滑模切换控制量。采用硬件在环实验验证该算法的有效性。研究结果表明:该算法与PID控制和滑模控制相比,能够快速平衡地达到目标值,具有较强的抗干扰能力,对各种路况及工况的适应性更好,对提高车辆制动的稳定性具有积极作用。

驱动轮角加速度与滑转率关系研究

通过对单轮车辆模型滑转的过程参数分析,定性研究了角加速度与滑转率的相互关系。并结合实车滑转试验,研究了车辆驱动轮附着系数、滑转率以及角加速度在试验过程时间中的变化情况。结果表明,在驱动轮滑转过程中滑转率随着角加速度的增大而不断增大,这为采用驱动轮角加速度进行路面识别提供了可靠的理论依据。

基于扭矩传感器的汽车驱动轮最佳滑转率测定

驱动轮最佳滑转率是汽车驱动防滑控制的关键参数,本文提出了一种基于车轮扭矩传感器的汽车加速工况驱动轮最佳滑转率的测定方法,阐述了该方法的测试原理和实验过程.通过实车实验,分别测定了汽车在不同载荷和节气门开度下驱动轮在冰、雪路面上的附着系数与滑转率的关系,得到了冰、雪路面上驱动轮最佳滑转率的控制范围,为研究汽车驱动防滑控制系统确定了最佳滑转率控制目标.

轮式移动机器人轮-地接触模型研究

基于车辆地面力学理论,建立了刚性车轮在松软土壤上行走的力学模型,通过实例计算,分析了车轮的结构参数及运动状态变化对其力学参量、驱动效率的影响。研究结果表明,合理设计车轮的结构参数,并在行驶时将车轮滑转率控制在适当区间可使车轮获得较好的牵引性能。最后,在实验室自行研制的车轮土槽试验系统上进行土槽试验,并将实验结果与力学模型计算结果进行了比较,验证了所建立的车轮-土壤相互作用模型的准确性。

纯电动汽车的再生制动力分配策略研究

针对电动汽车在低附着路面的驾驶稳定性的问题进行研究。因为汽车在冰雪路面制动时,大多数制动力分配方案以再生制动为主要制动力,此时很有可能发生抱死,从而发生汽车驾驶稳定性下降。本文中提出了一种在制动力分配上加入滑移率的控制方法,该方法以纯电动汽车为模型,设计出以汽车滑移率为控制对象的滑膜控制器。该控制方法在改进再生制动力分配策略上,特别在小制动强度时,电动汽车驱动轴有趋于抱死的情况立即减少再生制动力,使电动汽车恢复原有的稳定性。仿真结果表明:在强度恒定的制动工况下,电动汽车模型具有良好的驾驶稳定性,电动汽车模型在需要频繁制动的城市路况下,能量回收率提升了4.1%。

基于滑转率的四轮驱动汽车防滑模糊控制仿真

建立了四轮驱动汽车加速过程的数学模型,以滑转率为调节对象,提出一种基于模糊P ID控制的驱动防滑控制A SR算法。设计了以发动机油门为控制对象的模糊-P ID控制器并讨论了控制器切换参数的选取,并针对均一低附着路面以及分离路面在S im u link仿真环境下进行了动态仿真。对比仿真结果,表明模糊P ID控制性能优于单一的模糊控制。