深松软地面沉浮结合式行走机构和系统的原理及实现方法研究

Abstract：Deep soft terrains, such as swamps, tidal flats, and paddy fields, are unable to provide sufficient load-bearing capacity for vehicle and walking devices. Therefore conventional walking devices could not operate on these terrains due to sinkage.. In this regard, the project proposes the concept, principle and implementation method of submerging-floating walking device. The main research and innovation: (1) The mechanism principle of floating walking device is proposed, and the mathematic models of loading-bearing capacity, sliding resistance, steering lateral force are deduced according as the different terrain medium and physical state. (2) The floating walking device of high load and low sliding resistance is proposed and optimized. (3) A new traction driving mode on deep soft terrains, and an innovative driving mechanism are proposed, respectively. And then, the optimization method of kinematics and dynamics are presented and programmed. (4) The principle of mass distribution, and the influence of centriod dynamic displacement, about the submerging-floating walking device, are studied; furthermore, the control algorithm of vehicle stance, the matching relationship and the control strategy between submerging device and floating device, are deeply studied, respectively. (5) The trafficability and efficiency of submerging-floating walking device is studied. (6) The system dynamics analysis and design theory to the deep soft terrain vehicle are concluded. This project is designed to provide a new walking device, vehicle system theory and method for deep soft ground operating machinery.

深松软地面（如南方深淤泥水田、沼泽、湿地和滩涂等）无法为车辆行走机构提供足够的承载力，常规行走装置因下陷无法行走。对此，本项目提出沉浮结合式行走机构概念、原理及其实现方法。.主要研究内容和创新点：（1）提出浮式行走装置的机构原理，根据不同地面介质和物理状态建立相应的承载模型、滑动阻力模型和转向侧向力模型；（2）提出并优化高承载、低滑阻的浮动行走装置构型；（3）提出深松软地面新的牵引驱动方式、新型驱动机构原理和运动学、动力学优化方法；（4）研究沉浮结合行走机构的质量分配原则、质心动态位移影响、车辆姿态的控制算法和沉浮装置部分协同作用的匹配关系及控制策略；（5）沉浮式行走机构的通过性和效率研究；（6）深松软地面整车系统动力学分析和设计理论。旨在为深松软地面车辆及作业机械提供一种新的行走机构和车辆系统的理论和方法。

研究了浮式行走机构装置的机构原理，并根据不同地面介质和物理状态建立了相应的承载模型、滑动阻力模型和转向侧向力模型。通过实验研究了浮式装置在松软路面的沉降特性，采用经验公式以及支持向量机拟合回归的方法对浮式装置滑行下陷深度进行预测。研究了浮式装置气幕减阻原理及减阻效果。结果表明：采用气幕减阻的方法能有效的减小浮式装置在土壤中的黏附阻力，且土壤含水量接近土壤液限时减阻效果越明显。增大气幕流量，增大气孔直径，增大气幕发生面积均有利于提高减阻率。结合全地域多栖车研究了提高浮式装置转向性能的方法，分析了沉浮结合式行走机构质心与转向阻力矩的关系。. 研究了深松软路面新的牵引驱动方式、新型驱动机构原理和运动学动力学优化方法。结合深松软地面沉浮结合式行走机构的概念，对变形轮进行工程设计及深入研究。针对新型变形轮研制中所提出的变形机构工作原理、整轮一体化集成设计等创新成果和关键技术进行深入研究，为解决松软地面的非常规行走机构及多栖滩涂车行驶问题提供了有价值的分析思路和研究手段。采用运动学方法研究变形轮的运动学特性，研究变形轮在松软路面上行驶的受力情形，分析变形轮牵引力及阻力受主要参数的影响。研究表明，变形轮变形后可提高车轮的驱动力，进而提高车辆的牵引力。. 研究了沉浮结合式行走机构的质量分配原则、质心动态位移影响、车辆姿态的控制算法和沉浮装置部分协同作用的匹配关系及控制策略。以自主研发的水陆两栖全地形车为研究对象， 通过整车受力分析得到重心匹配的原则，即在车尾长度确定时，在无水场地重心纵向坐标应居中，在有水场地重心纵向坐标应靠后。进行了试验场地进行了接地比压、滑行阻力及牵引力的测试。对比分析仿真及场地试验的结果，证明了重心匹配原则的正确性及实用性。