Отметьте типы подвески гусеничной техники: Типы подвесок остова гусеничных тракторов

Содержание

Типы подвесок остова гусеничных тракторов

Подвеска соединяет остов гусеничного трактора с опорными катками, обеспечивая плавность хода. Широкое применение для гусеничных тракторов сельскохозяйственного назначения нашли полужёсткая и упругая балансирная подвески [рис. 1].

Рис. 1. Типы подвесок гусеничных тракторов.

А) – Полужёсткая подвеска;

Б) – Полужёсткая подвеска;

В) – Упругая балансирная подвеска;

1) – Ось;

2) – Рессора;

3) – Рама гусеничной тележки;

4) – Опорные катки;

5) – Рычаги подвески с торсионами;

6) – Рычаги подвески с торсионами;

7) – Опорные катки;

8) – Амортизатор.

Полужёсткая трёхточечная подвеска [рис. 1, А] используется на тракторах Т-4А, Т-130, Т-100М. Остов данных гусеничных тракторов опирается на гусеничные тележки через общую ось (1) в задней части (общая точка), а в передней части – через листовую рессору (2), которая крепится к остову трактора перпендикулярно его оси и опирается на каждую из тележек (вторая и третья точки подвески).

Вследствие этого каждый движитель способен совершать колебания вокруг оси (1) в вертикальной плоскости. В данной подвеске гусеничные тележки также могут упруго соединяться с остовом не только в передней, но и в задней точках [рис. 1, Б]. В таком случае гусеничные тележки соединяются с поворотными рычагами (5) и (6), вторые концы которых крепятся на остове посредством стальных торсионов (длинных стержней), работающих на кручение. Это позволяет всей гусеничной тележке перемещаться относительно остова в вертикальной плоскости, что даёт возможность в процессе движения лучше подстраиваться под рельеф местности.

Оси опорных катков в полужёсткой подвеске жёстко крепятся к рамам гусеничных тележек. Данное крепление позволяет максимально сократить расстояние между остями катков, за счёт чего улучшается равномерность распределения давлений на мягких грунтах. Однако большая жёсткость подвески ограничивает транспортные и рабочие скорости движения гусеничного трактора (не превышают 7-10 км/ч).

Упругая балансирная подвеска смонтирована на тракторах Т-150, ДТ-175, ДТ-75Б. При данной подвеске рама гусеничного трактора опирается на четыре подрессоренные каретки. В состав каждой каретки входит пара балансиров (12) [рис. 2, А], смонтированных на цапфах поперечных брусьев рамы.

Рис. 1. Ходовая часть гусеничного трактора Т-150.

А) – Устройство;

Б) – Рама;

В) – Схема регулировки натяжения гусеничной цепи;

Г) – Схема работы гидроамортизатора;

1) – Лонжерон рамы трактора;

2) – Направляющее колесо;

3) – Кронштейн направляющего колеса;

4) – Коленчатая ось направляющего колеса;

5) – Цилиндр гидронатяжителя гусеницы;

6) – Опорные катки;

7) – Гидроамортизатор;

8) – Кронштейн промежуточного звена амортизатора;

9) – Поддерживающий ролик;

10) – Большая и малая пружины балансира;

11) – Кронштейн поддерживающего ролика;

12) – Балансир;

13) – Большая и малая пружины амортизатора;

14) – Поперечный брус рамы трактора;

15) – Защитный козырёк;

16) – Упорный кронштейн амортизатора;

17) – Ведущее колесо;

18) – Конечная передача;

19) – Звено гусеницы;

20) – Беговая дорожка звена гусеницы;

21) – Направляющая реборда звена гусеницы;

22) – Палец гусеницы;

23) – Стопорное кольцо;

24) – Шайба;

25) – Шток;

26) – Уплотнение штока;

27) – Дроссельное отверстие;

28) – Перепускной клапан;

29) – Кожух;

30) – Цилиндр;

31) – Подводящий канал;

32) – Клапан;

33) – Дроссельное отверстие;

34) – Компенсационный бачок.

На тракторе Т-150 балансиры изготовлены одинаковыми и смонтированы на паре осей, которые установлены в поперечном брусе рамы. Каретки вверху распираются пружинами (10), поглощающими все толчки, которые в процессе движения трактора воспринимают опорные катки и не передают их на остов трактора. Однако при этом происходит возникновение собственных колебаний пружин каретки, ухудшающих плавность движения гусеничного трактора. С целью устранения данного недостатка в балансирах устанавливаются гидроамортизаторы (7), схема функционирования которых показана на [рис. 2, Г]. Поглощение энергии колебания пружин осуществляется за счёт перетекания жидкости через маленькие отверстия из одной полости амортизатора в другую.

Находящаяся в полости (А) жидкость, при растяжении амортизатора испытывает сжатие и перетекает в полость (Б) через дроссельные отверстия (27). За счёт формирующегося разряжения в полости (Б) компенсационный клапан (32) открывается, и жидкость по маслопроводящему каналу (31) из полости (П) компенсационного бачка (34) поступает в полость (Б) цилиндров в объёме, равном объёму той части штока (25), которая в данный момент выводится из рабочего цилиндра.

При сжатии гидроамортизатора (нагружении каретки) шток (25) движется в обратную сторону и находящаяся в полости (Б) жидкость перетекает в полость (А) через те же дроссельные отверстия (27). При этом жидкость в объёме, равном объёму вводимой части штока, вытесняется в полость (П) через отверстие (33).

Перепускной клапан (28), установленный в штоке, при больших усилиях сжатия дополнительно открывает ряд отверстий для перепуска жидкости из полости (А) в полость (Б).

Катки в упругой подвеске перемещаются в вертикальной плоскости относительно остова, за счёт чего обеспечивается лучшее подрессоривание гусеничного трактора, дающее возможность работать на больших скоростях (до 16 км/ч и выше), а также улучшаются сцепные свойства на твёрдых грунтах. Однако вследствие увеличенного шага расстановки опорных катков происходит неравномерное распределение силы тяжести гусеничного трактора по длине опорной поверхности движителя, за счёт чего повышается удельное давление на грунт.

17*

Классификация и назначение экскаваторов

Главная / Информация / Классификация и назначение экскаваторов

Экскаваторы по назначению и мощности можно разделить на несколько групп. Если такая машина как экскаватор может производить все операции упорядоченно, определенными циклами через некоторые временные промежутки, – это машины цикличного, т.е. прерывного действия, они бывают одноковшовые. Если же экскаватор может производить все операции одновременно, то его относят к машинам непрерывного действия, они бывают фрезерные, скребковые, многоковшовые.

Много- и одноковшовые экскаваторы могут быть плавучие и сухопутные. Последние производят с гусеничным, пневмоколесным, рельсовым и шагающим ходовым устройством. В движение механизмы экскаватора приводит двигатель, который может быть электрическим, паровым, карбюраторным, дизельным. Выбор двигателя будет зависеть от условий, в которых предстоит эксплуатация машины. Привод в экскаваторе может быть одно- и многомоторный, а также приводы подразделяют на: гидравлические, механические, гидромеханические, электрические, смешанные.

Одноковшовые экскаваторы бывают строительно-универсальные с емкостью ковша до 3 кубических метров, их используют для земляных работ. У карьерных экскаваторов емкость ковша 2-8 кубических метра, они применяются при разработке угольных и рудных месторождений. И еще одна категория – вскрышные экскаваторы с ковшами более 6 метров кубических, используемые для вскрыши, т.е. для разработки верхних слоев пород. Также одноковшовые экскаваторы применяют с различным дополнительным оборудованием. Это может быть лопата (обратная или прямая), драглайн, крановая стрела с грейфером или крюковой подвеской, копрами для забивания свай и т.п.

Одноковшовый универсальный экскаватор используют для выемки и перемещения грунта и прочих материалов, погрузочных сваебойных и иных работ с помощью навесного оборудования. Высокая проходимость и хорошая устойчивость обеспечиваются за счет гусеничного ходового оборудования. Продажа гусеничных экскаваторов стала пользоваться повышенным спросом, особенно после того, как появились модели на пневмоколесном ходу, оснащенные небольшим ковшом и обладающие повышенной подвижностью и маневренностью.

От того, на какой угол способно поворачиваться в горизонтальной плоскости ходовое оборудование, экскаватор будет полноповоротным и неполноповоротным. У первой модели этот угол может составлять 360°. В зависимости от того, какое рабочее навесное оборудование будет применяться, используют гибкую или жесткую подвеску рабочего органа. Выбор инструментов будет зависеть от характера предполагаемых работ. Лопата у экскаватора может быть прямой и обратной. Первой работают с грунтом выше уровня, на котором стоит экскаватор, а второй – если ниже уровня.

Немного о том, какая система индексации используется для основной Аренда экскаватора»>характеристики экскаваторов. Четырьмя основными цифрами обозначаются размерная группа машины, тип ходового устройства экскаватора, конструктивное исполнение рабочего оборудования, номер по порядку.

Производительность одноковшового экскаватора будет зависеть от конструкции машины, уровня организации производства работ с землей, состоянием и качеством забоя и грунта, квалификации машиниста, технического состояния машины.

Многоковшовый экскаватор – это землеройная машина, у которой в качестве рабочего органа установлена цепь многоковшовая или роторное колесо с ковшами. Его используют для дорожно-строительных работ, для рытья каналов, траншей, котлованов, прокладке трубопроводов. Если сравнивать роторные экскаваторы с цепными траншейными, то у первых производительность и КПД намного больше.

Корпоративные новости · Группа компаний «УЛК»

Виктор Кулаков, начальник цеха сортировки сухих пиломатериалов №1 и №2 Устьянского ЛПК – о семейном хобби, карьере в УЛК и первом опыте руководителя

Группа компаний УЛК дает отличный шанс для карьерного роста молодым и талантливым специалистам, которые по-настоящему любят свое дело и разбираются в нем. Один из ярких примеров – Виктор Кулаков, который за 10 лет прошел путь от обычного рабочего цеха строжки до начальника цеха сортировки сухих пиломатериалов.

– Виктор, расскажите, откуда вы родом?

– Я родился и вырос в Устьянском районе в селе Шангалы. Там окончил 11 классов Устьянской средней школы, после чего отправился в армию для прохождения военной службы.

– Как вы связали свою жизнь с ГК УЛК?

– Из Армии я пришел зимой 2010 года, а уже 3 января 2011 года устроился на завод Устьянского ЛПК специалистом цеха строжки – это была моя первая серьезная работа. Занимался торцовкой и раскладкой пило- материалов по сортам – трудился так примерно год. Затем принимал участие в строительстве цеха сортировки сухих пиломатериалов №1, где после запуска меня назначили оператором сортировочной линии на участке ШФМ. Работа мне очень нравилась, с головой погружался во все производственные процессы.

– Откуда у вас такая увлеченность лесной промышленностью?

– Любовь к лесу мне привил мой отец – Александр Витальевич. Он работал у одного из частных предпринимателей, был мастером в лесу и руководил целой бригадой. С юношеских лет брал меня с собой на делянку, где познакомил со всеми процессами заготовки древесины. Там я заработал свои первые деньги. Время прошло, а сфера деятельности, можно сказать, не изменилась.

– Правда, что первый раз вы стали начальником цеха сортировки в 22 года? Такой шанс дается не каждому. Какие чувства вы испытали в тот момент?

– Больше года я успешно отработал оператором сортировочной линии. Руководство заметило меня. В 2013 году я, молодой и «зеленый», впервые попробовал свои силы в должности руководителя. Представьте, в 22 года у меня в подчинении было более 100 человек, колоссальная ответственность для молодого, хоть и знающего свое дело, парня. В итоге возраст и неопытность все-таки сыграли свою роль, и через год я покинул должность начальника цеха.

– После этого вы успели поработать на погрузке пиломатериалов и даже водителем фронтального погрузчика. Этот опыт, когда вы вернулись к должности начальника цеха сортировки, как-то помог в управлении цехом?

– Да, я на собственном опыте прошел все этапы работы в цехе, и теперь, как никто другой, понимаю все нюансы трудовой деятельности своих подчиненных. Много общаюсь с операторами – это мой основной принцип в управлении коллективом. Интересуюсь, как складывается их работа, а если моя помощь нужна молодому специалисту, то участвую в процессе обучения. Такой подход позволяет добиться взаимопонимания и слаженности в трудовом коллективе, помогает избежать конфликтов и обеспечить хорошую производительность.

– Какими, на ваш взгляд, личными качествами должен обладать хороший руководитель?

– В первую очередь хороший руководитель обязан быть трудолюбивым. Он должен с головой погрузиться в производство, которым управляет, чтобы знать каждый агрегат и каждый болтик.

Во-вторых, хорошее качество для руководителя – это коммуникабельность и справедливое отношение к подчиненным. Если это есть, то коллектив всегда будет поддерживать тебя.

– Какое самое важное решение вы приняли, находясь на должности руководителя цеха?

– В том году с работниками цеха решили реализовать совместную идею, которая позволила значительно увеличить объемы сортировки продукции. Чтобы уменьшить ручной труд операторов и автоматизировать работу цеха, мы внедрили на линию дополнительную штабелеформирующую машину.

– Расскажите немного о своей семье. Как познакомились с супругой?

– Со своей будущей женой я познакомился еще в школе. Мы много общались, пересекались на сельских дискотеках. А после армии в 2011 году сыграли свадьбу. Быстро время пролетело, совсем недавно в июле отметили годовщину – 10 лет совместной жизни. Супруга, как и я, работает в ГК УЛК. Вместе мы воспитываем двух сыновей, построили дом на моей родине в селе Шангалы.

– Чем занимаетесь в свободное время?

– С семьей предпочитаем не сидеть дома, а активно проводить время. Когда появляется возможность, выбираемся на природу. Наше любимое место – это Васильевское озеро, которое расположено в 15 километрах от Шангал. Уезжаем туда на пару дней, рыбачим, катаемся на лодке и отдыхаем. Иногда удается поохотиться. Также вся семья активно занимается спортом, на выходных зимой катаемся на лыжах, ватрушках и снегоходах. С женой два раза в неделю ездим в фитнес-зал в Березнике, держим себя в форме.

Еще после свадьбы, когда возник жилищный вопрос, передо мной встал выбор – квартира или дом. Мы с женой выбрали второй вариант и не пожалели ни разу. Почти каждый день после работы стараюсь уделять этому хотя бы час.

Каких-то далеких планов не привык строить. Я хожу на любимую работу, путешествую и активно провожу время со своей семьей. Что еще нужно для счастья!

границ | Осведомленность о местности с помощью гусеничного автомобиля с бортовым поворотом и пассивной независимой подвеской

1.

Введение

В течение последнего десятилетия было разработано несколько роботизированных решений для поддержки людей, занятых в сельскохозяйственной и промышленной деятельности, например, при опрыскивании, добыче полезных ископаемых, уборке урожая, удобной транспортировке и мониторинге растений при тяжелых режимах работы. Более того, использование большого набора датчиков, таких как камеры RGB, лазеры, GPS и инерционные датчики, позволяет роботам адаптировать свою систему к окружающей среде, обрабатывая входные данные по большому набору данных (Narvaez et al., 2017). В любом случае, хотя большинство предыдущих исследований внедорожных мобильных роботов сосредоточено на обнаружении препятствий (Schaefer et al., 2005), планировании пути (Elfes et al., 1999) и оценке положения (Henson et al., 2008), не так много внимания было уделено взаимодействию между роботом и ландшафтом и тому, как это взаимодействие влияет на производительность транспортного средства во время обычных операций. Несомненно, в большинстве суровых условий эксплуатации вне помещений классификация и характеристика местности являются ключом к автономности и безопасности робота: правильная оценка особенностей местности позволяет транспортному средству оптимизировать скорость и крутящий момент и, в частности, избегать опасных ситуаций. условия, которые могут повредить его двигательную систему или поставить под угрозу сам автомобиль.В качестве примечательного примера, определение типа местности имеет решающее значение для безопасности марсоходов для исследования планет, таких как марсоходы NASA / JPL (Rothrock et al., 2016). Подходы, описанные в литературе, используемые для определения характеристик местности, обычно требуют автономной обработки и специальных датчиков и устройств, которые могут быть дорогими и сложными в обращении в суровых условиях (Ojeda et al., 2006). Примеры экстероцептивного восприятия можно найти у Milella et al. (2015), где была представлена комбинация радара и монокулярного зрения в рамках самообучающейся статистической системы для классификации сельскохозяйственных угодий. Локальный дескриптор, полученный в результате реконструкции трехмерной среды, был предложен Bellone et al. (2018) для оценки неровностей местности. Лазерные дальномеры и спектральные датчики изображения также были предложены для наземной идентификации, соответственно, в Broten et al. (2012) и Jin et al. (2015).

Другие исследователи исследовали методы классификации местности с использованием проприоцептивного зондирования. Например, методы классификации местности на основе ускорения были введены для планетарных вездеходов (Brooks and Iagnemma, 2005) и роботов для пересеченной местности (DuPont et al., 2008). Однако автомобили, принятые для испытаний, основаны на колесах и, как правило, не оснащены системами подвески (Masha et al., 2017; Reina et al., 2017a). Этот последний аспект можно рассматривать как ограничивающий фактор, поскольку неровности, с которыми можно столкнуться на такой местности, как вспаханная и каменистая почва или гравий, могут создавать непреднамеренные механические нагрузки на раму робота и датчики.

В этом исследовании предлагается метод определения характеристик местности с использованием гусеничного транспортного средства с бортовым поворотом и пассивной подвеской и путем определения набора параметров, основанных на физическом понимании механизмов, лежащих в основе взаимодействия транспортного средства с местностью, а именно, токов приводных двигателей, эквивалентная дорожка скольжения и спектральная плотность мощности, связанная с электрическими токами и вертикальными ускорениями тела.Первые два параметра жестко связаны с мощностью, необходимой транспортному средству для движения по конкретной местности, т.е. песок создает большее сопротивление движению, чем асфальт; эквивалентная гусеница скольжения может использоваться для измерения величины проскальзывания, связанного с транспортным средством с противоскользящим управлением во время маневра рулевого управления. Расширенный фильтр Калмана (EKF) используется для поддержки оценки на основе модели, чтобы обеспечить онлайн-оценку скольжения; фильтр использует в качестве входных данных разницу между скоростями левого и правого гусениц, полученную с помощью поворотных энкодеров, установленных на обеих звездочках гусениц, и скорость движения транспортного средства, измеренную инерциальным блоком. Спектральная плотность мощности (PSD) вертикального ускорения описывает мощность сигнала как функцию частоты на единицу частоты (Li and Sandu, 2013). В нашем исследовании вертикальное движение робота контролируется амортизатором, установленным на каждом рычаге подвески.

Следуя бумажной организации, раздел 2 иллюстрирует модель транспортного средства, использованную для этого исследования. В разделе 3 исследуется, как транспортное средство взаимодействует со своей опорной поверхностью при прямом и поворотном движении, и дается описание метода PSD.В разделе 4 представлены соображения и экспериментальные результаты, полученные на различных поверхностях с использованием гусеничного вездехода для проверки предлагаемого подхода. Раздел 5 завершает статью.

2. Материалы и методы

2.1. Аппаратная архитектура

Автомобиль, использованный для этой исследовательской работы, представляет собой гусеничный робот с бортовым поворотом под названием «maXXII», который разрабатывается в Университете Саленто. Он оснащен пассивной подвеской, как показано на рисунке 1. Вес автомобиля составляет Вт, = 40 кг, а его номинальная ширина колеи равна 0.95 м. Каждая гусеница (A) имеет ширину около 0,18 м и высоту 0,16 м и состоит из непрерывной полосы протекторов из синтетической резины для бездорожья, усиленной стальной проволокой для обеспечения хорошего сцепления. практически на всех поверхностях. Каждая ходовая часть имеет форму параллелограмма с более продвинутым верхним передним колесом, чтобы помочь транспортному средству преодолевать препятствия и подниматься по лестнице. Каждая гусеничная звездочка (B) приводится в движение двигателем постоянного тока 12 В с коробкой передач с максимальным выходным крутящим моментом 40 Нм и максимальной угловой скоростью 70 об / мин для общей выходной мощности около 400 Вт.Набор датчиков включает в себя два оптических энкодера, установленных на каждом валу коробки передач, два датчика тока, RTK GPS и инерциальный измерительный блок с 3-осевым гироскопом, акселерометром и магнитометром для ориентации в соответствии с системой отсчета NED (север, восток, вниз).

Рисунок 1 . Первая версия машины «maXXII», использованная для этой исследовательской работы.

2.2. Подвесная система

Пассивная система подвески автомобиля выполняет несколько задач, таких как поддержание контакта между резиновыми гусеницами и поверхностью местности, обеспечение устойчивости автомобиля и защита рамы автомобиля от всех ударов, вызванных неровностями местности.Он работает вместе с резиновой прокладкой, холостыми колесами гусеницы, рамой и рычагами подвески, обеспечивая устойчивость и каким-то образом физически отделяя корпус транспортного средства от резиновой прокладки транспортного средства. Каждая гусеница включает пять холостых колес (A) и четыре однорычажных рычажных механизма подвески (B), поворотные шарниры которых ( O ¹, O ², O ³) устанавливаются непосредственно на Рама робота с четырьмя независимыми амортизаторами, которые позволяют одному колесу двигаться вверх и вниз с минимальным воздействием на другое колесо, как показано на рисунке 2. Система подвески была разработана для обеспечения достаточного вертикального движения колес, чтобы автомобиль мог преодолевать неровности местности. Когда холостое колесо соприкасается с неровностями, механизм подвески может допускать достаточное вертикальное движение, чтобы колесо не продолжало двигаться вверх, захватывая раму с такой же высокой скоростью, что вызывает большое вертикальное ускорение вдоль оси z; этот аспект очень важен, потому что он снижает шум и вибрацию во время захвата датчика.На рисунке 3 представлен случай, когда холостое колесо движется в вертикальном направлении и достигает максимальных значений в грани (вверх), где H, = 0,10 м, и отбоя (вниз), при H, = — 0,05 м. Типичная конфигурация подвески представлена на рисунке 4, где можно увидеть, что происходит, когда транспортное средство пересекает небольшую неровность S ; в этом случае, как только транспортное средство сталкивается с неровностью, холостое колесо A, вынуждено двигаться вверх, а затем второе холостое колесо B . Чтобы гусеничный ремень оставался натянутым, колесо T тянется вперед под действием пружинного натяжителя, в то время как колесо C опускается, чтобы удерживать ремень в своем положении. Другая типичная конфигурация подвески представлена также на фиг. 5, когда транспортное средство проезжает небольшой неровность S ; в этой ситуации холостое колесо A очень близко к своему нормальному положению, поскольку оно движется в горизонтальной плоскости, в то время как холостые колеса B и C диаметрально противоположны, потому что они пытаются натянуть гусеничный ремень под действием своего удара. поглотители.Ролик натяжителя кажется смещенным наружу, чем в предыдущей конфигурации, потому что холостое колесо D перемещается вверх и снижает натяжение гусеницы впереди, поскольку транспортное средство движется вперед.

Рисунок 2 . Пассивная подвеска, используемая для каждой гусеницы, состоит из четырех рычагов и четырех амортизаторов.

Рисунок 3 . Однорычажные рычаги подвески с амортизаторами.

Рисунок 4 . Пример конфигурации подвески.

Рисунок 5 . Еще один пример конфигурации подвески.

При рассмотрении упрощенной системы подвески, показанной на рисунке 6, где наличие подрессоренной массы не учитывается и амортизатор имеет жесткость пружины k = 37,27 Н / мм, рычажный механизм имеет массу M ₁ = 0,9 кг и длиной L = 0,1 м, холостое колесо имеет радиус r = 0,04 м, массу м = 0,5 кг и жесткость k _p, можно записать уравнения для описания поведения подсистемы:

Iθ¨ = -gLcosθ (M12 + m) -k (L0cosα) 2sinθ-L2kpsinθ (1) I = M13L2 + m2r2 + mL2 (2)

Рисунок 6 .Простая подсистема, состоящая из однорычажной навески с амортизатором.

Где I — выражение инерции для узла, состоящего из рычажного механизма подвески и холостого колеса, θ — это угол, связанный с угловым смещением рычага, θ¨ его вторая производная, а O — точка поворота для вращения. движение рычажного механизма. Учитывая небольшие колебания, можно переписать выражение в (1) как:

Iθ¨ = -gL (M12 + m) -k (L0cosα) 2θ-L2kpθ (3) fn = 12π6 (k (L0cosα) 2 + kpL2) 2M1L2 + 3mr2 + 6mL2 (4)

Последнее уравнение в (4) используется для выражения собственной частоты, связанной с системой подвески.

2.3. Архитектура программного обеспечения

ROS (Операционная система роботов) ROS (2007) используется как для управления транспортным средством, так и для считывания данных со всех датчиков, поскольку позволяет пользователю легко использовать большой набор библиотек, фильтров и инструментов для сбора и обработки поступающих данных. от датчиков; кроме того, пользователь может отправлять команды Twist на транспортное средство и заставлять его двигаться в зависимости от линейных составляющих для скоростей (x, y, z) и от угловых составляющих для угловой скорости для осей (x, y, z).Система работает на процессоре AMD x86 на базе архитектуры SOC и объединяет мощный графический процессор для графической обработки и карту Wi-Fi для удаленного подключения; Операционная система, используемая для экспериментальных тестов, была Ubuntu с сервером ROS для обмена сообщениями с удаленной машиной, используемой в качестве клиента. На рисунке 7 представлена функциональная блок-схема, которая показывает аппаратный уровень, используемый для этой исследовательской работы, который включает инерционный датчик, Mti-300 от XSens, лазерные датчики, LMS-111 от SICK, два оптических энкодера, два датчика Холла, два датчика напряжения. датчики и RTK GPS), модуль Wi-Fi, необходимый для удаленной связи с автомобилем, приемник Bluetooth, который позволяет управлять автомобилем вручную, и двухканальный контроллер двигателя.Конкретный узел ROS был разработан на C ++, чтобы позволить транспортному средству обмениваться данными с датчиками, в то время как другой был разработан для отправки инструкций по перемещению на контроллер двигателя и для отправки полученных значений от датчиков по сети Wi-Fi.

Рисунок 7 . Функциональная блок-схема подержанного автомобиля.

3. Взаимодействие транспортных средств с местностью

3.1. Кинематическая модель автомобиля

Системы вождения, основанные на методе противоскольжения, обычно используются на гусеничных машинах, таких как гусеницы и военные танки для бездорожья.Для этого типа транспортных средств левая и правая гусеницы могут двигаться с разной скоростью как в прямом, так и в обратном режиме в зависимости от угловой скорости и направления звездочки. Из-за сложных площадок гусениц и взаимодействия с рельефом очень сложно точно описать правильную кинематическую модель для мобильных транспортных средств с бортовым поворотом. В этом случае правильное изучение пробуксовки колес играет ключевую роль в кинематическом и динамическом моделировании мобильных транспортных средств с бортовым поворотом; это потому, что информация о проскальзывании может описывать соотношение между угловой скоростью колеса и линейным движением платформы транспортного средства.Приложения для определения местоположения транспортных средств с бортовым поворотом, такие как расчет точного счета, строго полагаются на определение информации о проскальзывании, даже если эту информацию также можно использовать для извлечения и исследования условий местности. На рисунке 8 показаны принципы кинематики транспортного средства с бортовым поворотом при повороте по часовой стрелке с учетом фиксированной системы координат, расположенной справа от транспортного средства, начало которой находится в центре масс транспортного средства. Используя аналогичные свойства треугольника, можно получить уравнение для измерения радиуса поворота, учитывая соотношение между каждой стороной двух треугольников AFC и ADE , как в уравнениях (5) и (6).

v0vi = R + B2R − B2; R = B2 (V0Vi + 1 (v0vi − 1) = B2 (v0 + viv0 − vi) (5) ωz = vo + vi2R = vi (VoV-i-1) B (6)

Рисунок 8 . Кинематика гусеничного транспортного средства с противоскользящим управлением во время маневра рулевого управления по часовой стрелке, где B — ширина кузова транспортного средства, V 0 — скорость для внешней колеи, а Vi — скорость для внутренней колеи.

Следует отметить, что радиус поворота, вычисленный в уравнении (5), учитывается в предположении, что не возникают эффекты проскальзывания между холостыми колесами и резиновой гусеницей, а также между резиновыми накладками и землей во время маневра поворота.Однако в реальном мире эффекты заноса и проскальзывания между холостыми колесами, резиновыми гусеницами и поверхностью земли могут наблюдаться для всех транспортных средств с бортовым поворотом, поскольку скольжение необходимо, когда необходимо изменить направление движения транспортного средства. Как следствие, даже при низкой угловой скорости рулевого управления традиционного кинематического подхода недостаточно для правильного описания положения автомобиля в окружающей среде. Разница между скоростью движения транспортного средства и угловой скоростью звездочки может быть получена в результате эффекта продольного скольжения и , который можно хорошо описать как:

i = (1-Vrω) 100; (7) R ′ = B2 (v0 (1-i0) + vi (1-ii) v0 (1-io) -vi (1-ii)) (8)

, тогда как новая оценка скорости рыскания будет такой, как показано в следующем уравнении (9):

ωz ′ = vi (vo (1-i0) vi- (1-ii)) B (9)

3.2. Расширенный фильтр Калмана для эквивалентной дорожки

Несмотря на то, что некоторые исследования полагаются на оценку заноса для определения местоположения транспортного средства (Martinez et al., 2005) и планирование пути (Pentzer et al., 2014), точной связи между эффектом продольного заноса и поведением транспортного средства не установлено. приобрел еще. Конечно, можно учесть почти все эффекты заноса и скольжения как результат взаимодействия между левой и правой резиновыми гусеницами и поверхностью земли; Стоит даже отметить, что эффекты скольжения вносят ошибку в показания кодировщика, которые нельзя использовать для расчета положения транспортного средства.В этой работе понятие эквивалентной гусеницы, ранее введенное авторами (Reina, Galati, 2016), используется в качестве параметра для описания условий местности и классификации его в зависимости от величины проскальзывания, вносимого в систему транспортного средства. Выразив угловую скорость транспортного средства ω _z как:

, где B _s — оценочная эквивалентная дорожка, можно реализовать наблюдатель состояния, используя EKF, расширив уравнение (10) на модель пространства состояний с дискретным временем (Reina et al., 2017b), где значения параметров меняются как при случайном блуждании:

xk + 1 = xk + ωk; zk + 1 = Hk + 1xk + 1 + vk + 1; (11)

, где x _k = 1/ B _s — это переменная состояния в момент времени k , а z _{k +1} — это наблюдение, т. Е. Ω, и H _{k +1} — коэффициент измерения, то есть Δ V , в момент времени (k + 1) . k + 1 — это обновленный вектор состояния, а P _{k +1} — обновленная оценка ковариации ошибки.Оценка пробуксовки рассчитывается только при поворотах, поскольку фильтр отключается при прямолинейном движении из-за отсутствия возбуждения. Следует отметить, что измерение дорожки скольжения остается ограниченным. Когда транспортное средство движется по прямой, числитель и знаменатель в уравнении Bs = ΔVωz-1 являются бесконечно малыми величинами одного и того же порядка, и это приводит к конечным значениям B _s.

3.3. Анализ токов двигателя

В отличие от колесных транспортных средств, где часть протектора шины, которая касается поверхности местности, очень мала, в то время как давление на грунт может достигать очень высоких значений, гусеничные транспортные средства характеризуются большим отпечатком пальца на поверхности почвы и более низким уровнем грунта. давление.Кроме того, значение максимального тягового усилия F  _max, которое может быть создано гусеничным транспортным средством, определяется напряжением сдвига местности, τ _max, и площадью контакта A, как показано на следующее уравнение:

Fmax = Aτmax = Ac + Wtanϕ (17)

, где A = 0,220 м ² — площадь контакта для обоих путей, а W = 392 N — нормальная нагрузка, а c и ϕ строго связаны с типом местности.Поскольку в электромобилях тяговое усилие, тяга и крутящий момент можно рассматривать как примерно пропорциональные току двигателя постоянного тока:

, где T _r — постоянный крутящий момент двигателя, а τ = 60 — передаточное число редуктора. Таким образом, измеряя токи левого и правого электродвигателей при прямолинейном движении с постоянной скоростью, можно получить косвенную оценку сопротивления движению для конкретных условий местности, учитывая геометрию пути и вертикальную нагрузку.Из-за особой конструкции трассы стоит отметить, что амплитуда пиков тока и их период изменяются в соответствии с физическими характеристиками каждой местности. Неровности местности создают различную передачу мощности на гусеницы, требуя большего или меньшего крутящего момента двигателя. На асфальте значения тока двигателя имеют регулярные пики и периоды, так как поверхность почти плоская и не включает шероховатости; в этом случае ограничивается амплитуда электрического тока. На гравийных или каменных почвах значения тока имеют несколько высоких пиков из-за наличия обломков и неровностей, в то время как песчаная местность характеризуется низкими пиками, но наибольшей амплитудой тока.Это происходит потому, что песок имеет более высокую деформируемость, чем асфальт, и обеспечивает большую площадь контакта с гусеницами.

3.4. Вертикальные ускорения

Вибрация гусеничного транспортного средства на местности сильно отличается от реакции транспортного средства на колесах. Итак, для определения точной динамической модели гусеничного транспортного средства очень важно изучить реакцию транспортного средства на вибрацию. В линейных системах существует прямая линейная зависимость между входными и выходными сигналами.Обычно система транспортного средства, которая определяется своей передаточной функцией, учитывает входные данные, представляющие неровности местности, и генерирует выходные данные, представляющие вибрацию транспортного средства. В этом случае функция частотной характеристики может быть определена как отношение выходного сигнала к входному в установившихся условиях. Если можно рассмотреть упрощенную модель с одной степенью свободы для транспортного средства, и входные и выходные значения могут быть выражены в терминах перемещений и вибрации подрессоренной массы, когда выходная мощность рассчитывается в терминах ускорений, тогда модуль передаточной функции H ( f ) выражается следующим образом:

| (H (f) | = (2πf) 211− (ffn) 2 (19)

, где f — частота возбуждения, а f _n — собственная частота системы.Коэффициент демпфирования не включен в уравнение (19), поскольку амортизатор, используемый транспортным средством, работает только с пружиной без амортизаторов. Если передаточная функция конкретной системы известна, то можно выразить соотношение между спектральной плотностью мощности на входе S _g ( f ) и спектральной плотностью мощности на выходе S _v ( f ) всей системы следующим образом:

Sv (f) = | H (f) 2 | Sg (f) (20)

При рассмотрении линейных систем это соотношение показывает, как спектральная плотность выходной мощности связана со спектральной плотностью входной мощности через квадрат модуля передаточной функции.Спектральная плотность мощности определяет, как мощность сигнала распределяется по частоте, и она строго коррелирует с взаимодействием между профилем местности и гусеничной лентой, а также между лентой и гусеничной звездочкой. В отличие от колесных транспортных средств, которые обычно показывают только один пик в частотном ответе, транспортное средство, используемое для этого исследования, показало четыре различных и отдельных пика и четыре нечетных гармоники в целом. Изучение этого важного аспекта позволяет найти правильный отпечаток для каждого профиля местности.

Функция спектральной плотности мощности также использовалась для изучения поведения тока двигателя в установившемся режиме, когда транспортное средство движется прямо в течение не менее 30 с и с максимальной скоростью по разным местностям. Это дает общее представление о спектральном распределении энергии и текущей сигнатуре для каждого профиля местности.

4. Результаты экспериментов

4.1. Полевые эксперименты

Для проверки метода и сбора данных было проведено несколько тестов на различных поверхностях местности: песке, гравии, грязи и асфальте.На рисунке 9 показан аэрофотоснимок испытательного поля, полученного с помощью Google Earth (40 ° 7 ‘56,0856 ″ с.ш., 18 ° 30’ 2,2356 ″ в.д.), используемого для экспериментальных кампаний (слева), которое находится в Отранто, Италия, и вид автомобиля, движущегося по небольшим естественным неровностям (справа). Во всех экспериментах машина «maXXII» была вынуждена выполнять два основных движения примитивов и, в частности, прямолинейное движение с постоянной скоростью 0,75 м / с, за которым следовал маневр рулевого управления с постоянной скоростью поворота 45 град / с. . Во время каждого теста с помощью утилиты rosbag, предоставляемой ROS, регистрировался набор данных, включая токи двигателя, угловые скорости для звездочек гусеницы и ускорения вдоль вертикальной оси с частотой F  _с = 120 Гц.Для каждой местности был определен «отпечаток пальца» путем объединения конкретных значений электрических токов, эквивалентного трека и спектральной плотности мощности как электрических токов, так и вертикальных ускорений; после этого для обучения модели классифицированным данным использовался инструмент обучения классификации.

Рис. 9. (A) Аэрофотоснимок испытательного поля в бокситовом карьере, (B) транспортное средство, движущееся по естественным неровностям.

4.2. Оценка местности

Зарегистрированные значения для эквивалентного пути показаны на Рисунке 10, где можно проверить поведение транспортного средства при поворотах по песку, гравию, грязи и асфальту.Все основные значения представлены в Таблице 1, а максимальная эквивалентная колея 1,329 м была зафиксирована во время испытания по грязи, где влажная поверхность создает самый высокий эффект скольжения, а асфальт показал самое низкое среднее значение — всего 1,159 м.

Рисунок 10 . Эквивалентные значения дорожек для песка, гравия, грязи и асфальта.

Таблица 1 . Эквивалентные значения треков для разных ландшафтов.

Кроме того, токи двигателя демонстрируют различное поведение на каждой местности, показывая широкие и узкие пики тока на асфальте и гравии и почти плоскую тенденцию на грязи и песке.В этих двух последних случаях амплитуда тока была выше, чем на асфальте и гравии, поскольку песок и грязь являются более гибкими и предлагают большую площадь контакта для гусениц, что вызывает запрос на более высокое тяговое усилие, как показано на рисунке 11, где синий линия относится к току левого двигателя, а красная линия относится к току правого двигателя; смещение между обоими токами происходит из-за различных внутренних характеристик двигателя и рассеиваемой мощности. Средние значения тока приведены в таблице 2 и относятся к прямым путям.

Рисунок 11 . Значения тока двигателя для песка, гравия, грязи и асфальта.

Таблица 2 . Эквивалентные значения треков для разных ландшафтов.

Спектральная плотность мощности была вычислена по выборке с длительностью t = 10 с с использованием ускорений вдоль оси Z транспортного средства, записанных с инерциального датчика, и показывает, как треки взаимодействуют с профилем местности, как есть. можно увидеть на рисунке 12.

Рисунок 12 .Значения спектральной плотности мощности для песка, гравия, грязи и асфальта.

В частности, стоит отметить, что более высокое значение спектральной плотности мощности было зарегистрировано на уровне около 10 Гц для всех тестов, показывая своего рода внутреннюю периодичность транспортного средства, как показано в таблице 3. Конкретная конструкция дорожки генерирует в общей сложности четыре гармоники. для каждого ландшафта: первый центрируется на частоте 10 Гц для всех ландшафтов, кроме грязи. Третья гармоника находится примерно на 30 Гц, пятая — на 50 Гц и седьмая гармоника — на 70 Гц.Густая грязь снижает подвижность всей трассы, и это вызывает очень медленную частотную характеристику, в то время как асфальт обеспечивает гораздо более отзывчивый и реактивный профиль местности.

Таблица 3 . Типичные значения PSD вертикального ускорения тела.

Предыдущий метод, основанный на функции спектральной плотности мощности, был применен также к токам двигателя при прямолинейном движении, чтобы добавить и улучшить информацию о сигнатуре профиля для каждой местности.

Для этой конкретной ситуации спектральная плотность мощности была вычислена с использованием метода Велча, который основывается на концепции использования оценок спектра периодограммы в результате преобразования сигнала из временной области в частотную для уменьшения шума в оцениваемой области. спектры мощности в обмен на уменьшение разрешения по частоте. Метод применяется как к левому, так и к правому мотору; среднее значение их СПМ-амплитуд рассматривается как дополнительный параметр для характеристики местности.В таблице 4 приведены некоторые типичные значения амплитуд PSD, применяемых к токам двигателя на различных участках.

Таблица 4 . Спектральная плотность мощности.

4.3. Алгоритм классификации

После 100 реальных кампаний испытаний были зарегистрированы средние значения тока двигателей и спектральной плотности мощности как для ускорений по оси Z, так и для тока двигателей для каждого профиля местности путем выполнения тестов для т. = 40 с в течение прямая линия на определенной местности, в то время как эквивалентный путь был получен во время маневра рулевого управления на той же местности, с t = 10 с, чтобы создать реляционную базу данных, в которой каждая местность формально описывается диапазоном средних значений.На рисунке 13 показаны образцы средних значений, относящиеся к некоторым основным профилям местности. Данные были сохранены в текстовом файле, где каждый массив отсчетов состоял из четырех числовых значений (эквивалентная дорожка, ток двигателей, PSD по ускорениям, PSD по токам). Впоследствии вероятностная графическая модель, основанная на байесовской сети, представляющая группу переменных и их условных зависимостей с использованием направленного ациклического графа (DAG), была разработана для узла ROS для сравнения полученных в режиме онлайн данных датчиков с набором данных, хранящимся в базе данных.Этот узел ROS использовался для вывода оценок профиля местности в режиме онлайн путем запуска вероятностного алгоритма данных в реальном времени, поступающих от датчиков транспортного средства.

Рисунок 13 . Справочные значения для некоторых профилей местности.

5. Заключение

В этой статье был представлен метод определения характеристик местности, в котором использовался гусеничный автомобиль с бортовым поворотом и независимой пассивной подвеской. Он основан на оценке трех параметров, которые зависят от местности: токов двигателя, эквивалентного пути и спектральной плотности мощности.Эти параметры можно измерить во время нормального вождения, отслеживая движение автомобиля, токи двигателя и ускорения по вертикальной оси. Наблюдатель Калмана на основе модели был введен для оценки скольжения, в то время как функция спектральной плотности мощности использовалась для изучения вибрационной реакции транспортного средства для различных профилей местности. Эксперименты показывают, что классификатор может эффективно различать четыре типа профилей местности, включая асфальт, гравий, грязь и песок с высокой точностью более 89% для гравия и песка, как показано на рисунке 14.Обнаружение грязи представляет собой показатель успеха около 72% и требует дальнейших исследований из-за его непредсказуемости, в основном на гусеничных транспортных средствах. Дальнейшее продолжение этого исследования также рассмотрит смещение и положение подвески путем считывания данных с линейных потенциометров, установленных параллельно на каждом амортизаторе, чтобы исследовать частотную характеристику для каждой подвески.

Рисунок 14 . Точность предлагаемого метода классификации.

Доступность данных

Наборы данных, созданные для этого исследования, доступны по запросу соответствующему автору.

Авторские взносы

Оба автора внесли значительный вклад в концепцию и дизайн исследования. Они в равной степени занимались анализом и интерпретацией данных, а также написанием рукописи.

Финансирование

Исследование, приведшее к этим результатам, получило финансирование от Европейской комиссии Horizon 2020 в соответствии с соглашением о гранте n. 821988 ADE.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Беллоне, М., Рейна, Г., Кальтаджироне, Л., и Вад, М. (2018). Изучение проходимости из облаков точек в сложных сценариях. IEEE Trans. Intell. Транспорт. Syst. 19, 296–305. DOI: 10.1109 / TITS.2017.2769218