结合新型气垫靴式行走机构的软路面概念车及其控制研究

It has been a difficult but hot subject to improve the vehicle trafficability in some complex soft-terrain environments in the research area for off-road vehicle dynamics and control.Based on previous study for a semi-tracked air-cushion vehicle,a novel soft-terrain concept vehicle with a walking mechanism of air-cushion boots is proposed.By air charging or discharging,the inner pressure and height of boots can be adjusted,thus the required vehicle attitude and walking operation can be controlled in order to improve its crossing-terrain and adaptive ability on uneven terrain conditions,and also its application area can be extended. The proposed research content mainly include the design of walking mechanism with air-cushion boots,dynamics modeling and verification of air boots along with full vehicle,driving environment identification based on soil parameter estimation,and design of the vehicle control algorithm and gait planning,etc.The study foucs on two key issues as bellow:non-conventional walking mechanism for soft and uneven terrain conditions and its control system design.The feasibility and effectiveness study will be performed by developing phisical prototype,soil bin testing and virtual prototype simulations.The research results will exhibit good theoretical significance, and also provide potential applications for the transportation and operation in some special requirements,e.g.,military and scientific exploration, etc.

在软地面恶劣复杂环境下车辆的通过性一直是非路面车辆动力学及其控制领域的研究热点及难点。课题组在对前期半履带气垫车研究的基础上，创新性地提出一种以气垫靴作为行走机构的软地面概念车，通过对气垫靴充放气改变靴内压强与靴高的方式来实现车辆的姿态调节和行走，以期提高车辆在湿软、不平地面条件下的通过性及适应性，并扩展其应用空间。研究内容主要包括气垫靴式行走机构的设计、气垫靴及整车动力学模型的建立与验证，基于土壤参数估值的车辆行驶环境辨识技术及步态规划等车辆控制算法设计。本项目将主要针对湿软不平坦地面条件下非常规行走机构及其控制系统的设计这两方面展开研究，通过建立虚拟样机及原理样机的设计与研制，结合相关的土槽实车试验数据和虚拟样机仿真结果来研究和验证所提出的概念车及其控制系统设计的可行性和有效性。本项目的研究不仅具有很好的理论意义；同时对军事科考等特殊条件下可能存在的运输及作业需求也具有实际的应用价值。

由于湿软路面具有承载能力低、环境复杂恶劣且不平坦等特点，常规的行走机构在通过这类路面时，可能存在严重的下陷、打滑等问题。本研究针对湿软路面的作业环境特点，探索性地研究了一种结合非常规车辆和移动机器人技术的双足气垫靴式行走机构，期望提高机构在湿软路面环境下的通过性和稳定性。首先，本项目建立了双足气垫靴式行走机构的行走机理，确定了机构的关键设计参数，并在SolidWorks 软件环境下完成了双足气垫靴式行走机构的结构设计，主要包括膝关节锁死机构和气垫靴装置的方案设计，并完成了关键部件的参数设计及零件选型。对所设计的行走机构的运动学与动力学分别进行了建模，并采用基于几何约束的逆向规划方法对其步态规划进行了研究。然后，建立了基于Mooney-Rivlin两参数模型和有限弹性理论的单靴稳态理论模型，并通过ANSYS软件对其进行了验证。在此基础上采用Matlab软件建立了单靴充、放气瞬态运动学模型，并通过气垫靴充、放气试验验证了该模型的准确性。最后，借助ADAMS软件建立了虚拟样机模型，并通过Matlab/Simulink软件对无负载开环控制和变负载闭环控制进行了联 合仿真分析。在此基础上，开发研制了物理样机并进行了行走试验。理论分析和试验结果较好地验证了所设计的行走机构的合理性和可行性。