城市地下综合管廊巡检小车全转向系统研究

晏海静，罗大兵，漆令飞

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

1 引言

城市地下综合管廊是集电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等市政管线及其附属设施于一体的公共隧道空间，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。目前，已有25 个城市成为综合管廊建设试点城市，正加速推进地下综合管廊建设。仅2016 年，我国开工建设的综合管廊规模里程已经突破2000km，成为世界上综合管廊建设规模最大的国家[1]。随着城市地下综合管廊建设的快速发展，其管理运营维护问题日益凸显。管廊内空间狭小、缺氧，甚至可能释放有毒气体，采用人工巡检不仅监测效率极低，且严重影响检测员的生命安全。为了实现对管廊的动态巡检与在线监测，开展自动巡检小车研究具有重要意义[1]。为了使巡检小车能实现在狭小的管廊内靠近被检目标、调头、灵活转向等功能，巡检小车最好具有全转向功能，即能够横向移动和原地零半径转弯。目前，全转向的实现方法主要有全向轮、日产METAMO 系统、四轮独立液压控制[2]、四轮独立电机控制[3]等方式。这些方式中，全向轮结构最为简单，但由于多边形效应，全向轮行驶时会给车辆增加附件振动。METAMO 系统、四轮独立液压控制和四轮独立电机控制等方式的控制系统相对复杂，特别是在地下管廊的潮湿环境下，可靠性降低。基于上述原因设计了一种新颖的基于轮毂电机的巡检小车全转向系统[4]。采用该转向系统的巡检小车既满足正常行驶运动与转向，还可以根据巡检需要，在狭小的管廊中灵活转向，实现无盲区探测，提高了管廊检测的可靠性。

2 转向机构总体设计

根据地下综合管廊的环境特点以及巡检作业的要求，通过分析国内外现有的全转向巡检小车的优缺点然后优化组合设计，最终提出了一种控制系统简单的新型全转向巡检小车。此全转向巡检小车基于轮毂电机设计，可减小尺寸并简化结构，采用一个转向电机，减少复杂的电机驱动控制需求。根据地下综合管廊的布管特点与截面尺寸，对巡检小车提出的主要参数，如表1 所示。

管廊巡检小车全转向系统主要由四轮转向机构、全转向机构、转向切换装置以及相关控制系统四部分组成，具备四轮转向与全方位转向（包括横向行驶）的功能，两种转向模式通过转向切换装置达到相互独立互不干涉的效果。根据不同的路况切换不同的转向模式：转弯空间大时采用四轮转向模式；转弯空间狭小时采用全转向模式，可使巡检小车实现在原地零半径转向；当需要靠近某个区域进行详细检查时，可以调整巡检小车转向系统实现横向移动行驶。

表1 管廊巡检小车主要结构参数Tab.1 Main Structure Parameters of the Patrol Vehicle

2.1 转向传动机构设计

巡检小车整体机构，两套转向机构只用一个转向电机，共用一套曲柄摇杆驱动机构：转向电机5 驱动曲柄一6，连杆一7 受到来自曲柄一6 的推力带动转向拉杆9 转动，通过转向节臂4 使车轮2 转动，如图1 所示。采用常用的下梯形转向机构[5]，转向节臂底角为75°，可使转弯内侧车轮转角总是大于外侧车轮转角，尽可能地减少车轮打滑。转向模式切换由前后转向机构的转向锁一10 和转向锁二14 实现。

图1 全方位转向机构整体结构图Fig.1 Omni-Directional Steering Mechanism

当巡检小车处于全转向模式时，转向锁一10 通电，转向锁二14 断电，使前后轮的转向拉杆9 之间为转动副，竖杆11 与直线导轨滑块之间为移动副；前轮与后轮机构对称，实现前后车轮“八”字转动，如图2（a）所示。四个车轮法线交于底盘中心时实现零半径转向运动；当车轮转动90°时，可实现横向移动。当需要实现四轮转向模式时，转向锁一10 断电，转向锁二14 通电，使前后轮的转向拉杆9 锁死为一整体，竖杆11 可左右摆动，前后轮转向对称，皆为下梯形转向，如图2（b）所示。

图2 两种转向模式原理图Fig.2 Schematics of Two Steering Modes

2.2 转向切换装置设计

在巡检小车工作过程中，需要实现在两种转向模式间自由切换，故应设计合理的转向切换装置，以保证两套机构各司其职又不相互干涉。因此采用了两种转向切换装置独立控制。

通过前后转向拉杆连接处的转向锁一切换拉杆运动方式，转向轴上固接导向键，拉杆与竖杆内壁均开键槽，锁盖上固接衔铁，转向轴上端安装硅钢片与弹簧。当硅钢片通电，产生磁力吸引转向轴向上运动，拉杆二脱离导向键，左右拉杆解除锁定可相对转动；当硅钢片断电，在弹簧回弹力作用下使转向轴向下运动，导向键嵌入左右拉杆键槽内，左右拉杆锁定为一个整体，如图3（a）所示。

通过竖杆侧边转向锁二切换竖杆运动方式，如图3（b）所示。在全转向模式下转向锁二的锁舌弹入竖杆延伸部的锁孔，与竖杆锁定为一个整体，由于转向锁二装于直线导轨之上，只能直线移动；在四轮转向模式下，竖杆与转向锁二解除锁定，竖杆可左右摆动。

图3 转向切换装置结构图Fig.3 Structure of Steering Switches

3 运动学模型分析

图4 四轮转向模式运动模型Fig.4 Motion Model of 4W-Steering Mode

巡检小车的四个车轮均由轮毂电机单独驱动，为了控制巡检小车转向时平稳，尽可能地减小滑动，则需保证车轮转向瞬心交于一点，即满足阿克曼转向模型。四轮转向模式是在阿克曼转向模型的基础上，建立前后轮反向转动差速转向模型，前后四轮均参与转向操作，且前轮与后轮转向角度横向对称[6]，根据图4 可分析得到各个车轮转向角度与运行速度的关系。

将速度输入与转角输入简化为小车中间的两轮参考模型，转向参考角度输入设为α，驱动参考速度设为v，小车的瞬时转向半径为R。

左、右车轮的转弯半径得到之后，可继续推导出左、右侧转向前轮的转弯角度α1和α2：

在已知小车转弯速度v 的情况下，可得到车辆各车轮的速度：

式中：vfl—左前轮驱动速度；vfr—右前轮驱动速度；vrl—左后轮驱动速度；vrr—右后轮驱动速度。

全转向模式是巡检小车在狭窄空间巡检、转向时采用的一种特殊转向方式，分为零半径转向与横向移动。零半径转向要求四个车轮全部参与大角度转向，前轮与后轮对称，均向外侧“八”字转向，直到四个车轮的法线相交于小车底盘几何中心，此时各个车轮的转角方向和行驶速度关系，如图5（a）所示。

图5 全转向模式两种运动模型Fig.5 Motion Model of Omni-Directional Mode

由于车轮都在由轴距与轮距组成的矩形的外接圆上，并且四个车轮的法线相交于小车底盘几何中心，所以各个车轮转角的大小均相同，各车轮速度的大小也相同。

巡检小车在进行原地零半径转向时，根据式（5），控制全转向电机使车轮完成相应的转动角度，根据式（6），控制四个轮毂电机以目标速度进行零半径转向。

当巡检小车做横向移动时，车轮继续以零半径转向的方式转向，直到四个车轮的转向角度增至90°，如图5（b）所示。此时四个车轮的驱动速度关系同样，如式（6）所示。

4 轮毂电机控制策略分析

基于轮毂电机独立驱动的全转向系统，其控制内容包括轮毂电机的驱动与差速控制。轮毂电机由PID 控制算法的PWM 实现调速。根据轮毂直流电机特性[7]，对电机的转速与电流进行精确控制，使巡检小车在不同行驶状态下具备不同的行驶要求。由此选择电流内环、转速外环的双闭环控制系统[8]，轮毂电机驱动控制框图，如图6 所示。给定转速与电机实际转速的偏差作为转速控制器的输入信号，计算得出的参考电流值作为电流控制器的输入，然后再用电流调节器的输出电压来控制驱动模块。对于电流内环采用遇限削弱积分（PI）调节，外环转速采用比例积分（PI）调节，实现系统达到响应快、转速无静差的控制效果。

图6 轮毂电机双闭环控制框图Fig.6 Double Closed Loop Control Block Diagram

为了巡检小车在转向过程中各个车轮纯滚动，提高行驶的稳定性，需要对四个电机的转速进行分配。在轮毂电机双闭环PID 控制的基础上增加速度反馈环节，即差速控制器[9]实时采集四个电机转速信号并与目标速度相比较，根据四轮速度分配原则控制四个电机，差速控制框图，如图7 所示。四轮速度分配关系由运动学模型得出的关系式（1）～式（6）确定。

图7 轮毂电机差速控制框图Fig.7 Differential Control Block Diagram

5 仿真模型结果分析

5.1 基于ADAMS 运动仿真分析

将SolidWorks 中已建好的装配体模型简化处理后导入Adams 中做后续的运动学分析，转向电机以恒定转速输入，得到两种转向模式下转向电机与四个车轮之间的转角关系。从图8（a）中可以看出车轮转向角度连续增加至90°，可以满足全转向及横向行驶的要求；车轮转向角速度逐渐增大，巡检小车易出现抖动，因此在转至横向行驶之前转向电机应降低转速输出。在四轮转向模式下前轮与后轮转向角度横向对称，右转时车轮转向关系，如图8（b）所示。可以看出右轮转角总是大于左轮转角，符合四轮转向运动模型，转角变化平缓符合平稳转向的要求。

图8 转向电机转角与车轮转角关系曲线Fig.8 Angle Curves of Steering Motor and Wheels

5.2 基于MATLAB/Simulink 控制仿真分析

图9 轮毂电机的速度响应曲线Fig.9 Speed Response Curves of In-Wheel Motor

在仿真试验中，轮毂电机的参数设为：定子相电阻R=0.436Ω，磁链Phi=0.1848Wb，定子相电感L=0.106mH，转动惯量J=85×10-6kg·m2，阻尼系数 Bv=4.047×10-5N·m·s，极对数 P=1，24V 直流电源供电。已知车轮直径90mm，巡检小车在初始转速70r/min 的前提下得到四轮转向与全转向行驶条件下的差速仿真结果，如图9 所示。从图9 中可以看出在电流环与速度环控制下电机启动响应时间短，无超调，抑制扰动的能力强。图9（a）为四轮转向时轮毂电机转速响应结果：电机启动后在0.058s 时刻达到初始稳定转速70r/min，在0.20s 时刻开始差速转向，差速转向响应时间约为0.1s。从图9（b）可看出全转向时四个轮毂电机转速相同，其转速响应结果为：电机启动后0.50s 时刻达到初始稳定转速，在0.1s时刻速度变化，响应时间小于0.01s。

6 结论

在分析现有全转向系统实现方法的基础上，根据地下综合管廊的空间结构及工作环境，提出了一种新型的巡检小车全转向实现方案，开展了相应的结构设计，建立了不同转向模式下的运动学模型，得到了车轮之间的速度关系；并利用ADAMS 进行了运动分析，得到四个车轮的转向特性曲线，两种转向模式均能实现相应的转向功能；基于MATLAB/Simulink 建立轮毂电机全转向的控制系统模型，仿真得到两种行驶模式下的轮毂电机的转速响应曲线，通过双闭环PID 控制算法满足轮毂电机快速、稳定、灵敏的控制要求。