遥操作汽车的底盘设计及仿真分析

沈儒谦

摘 要：本课题的主要内容是设计出一款应用于港口货物搬运中的智能化搬运遥操作汽车，它具备以下功能：支持远程控制并且可以通过自带的摄像头进行自主运动实现智能化工作，同时支持手控与自控模式的灵活切换以防止遥操作汽车发生故障时造成不必要的损失。本文提供了遥操作汽车的设计方案和一些软件的编写，搭建遥操作汽车的控制平台以实现遥操作汽车所需的功能。

關键词：视觉导航 自动搬运 远程控制

Chassis Design and Simulation Analysis of Teleoperation Vehicles

Shen Ruqian

Abstract：The main content of this project is to design an intelligent transport teleoperation car for port cargo handling. It has the following functions： support remote control and can carry out autonomous movement through its own camera to achieve intelligent work， and support hands The flexible switching between the control and automatic control modes prevents unnecessary losses in the event of a malfunction of the remotely operated vehicle.This article provides a design plan for remotely operated cars and the preparation of some software to build a control platform for remotely operated cars to achieve the functions required for remotely operated cars.

Key words：Visual Navigation; Automatic Handling; Remote Control

1 引言

集装箱运输成为一种重要的交通运输方式是在经济全球化和世界贸易的加快的背景下产生的，据统计当今世界采用海上运输的方式占世界贸易的90%以上，集装箱运输占其中的一半以上。由此，在港口货运中扮演着重要角色的集装箱码头也得到了迅猛的发展，在进出口港口中所发挥了越来越明显的作用。具有高度现代化及自动化的码头装卸设备和运作流程也逐渐在世界范围内普及开来，而遥操作汽车因为其具有自主引导、不需要人为驾驶、能够自动避障、设计路径优化、精确定位以及智能化等特点，已经被广泛地应用于现代化的港口中。

遥操作汽车系统具有以下优点：能够提高港口货物搬运的效率，降低劳动力成本和一些基础设施成本;可以24小时不间断运作，提高贸易的效益;减少传统搬运中人员因意外事故而造成的损失费用。目前遥操作汽车的技术已取得了非常大的突破，可在实际运用中依然遇到了各种需要改进的问题。既然要求能够自主搬运，那就应该能对周围的环境进行分析。如果只通过摄像头来获取周遭信息，很容易受到环境的影响，如摄像头镜面被灰尘覆盖或因为光线不足对周遭信息反应不灵敏。还有自主搬运能够实现的距离，控制信号是否稳定可靠等也是一些难点。因此，对于可能出现的问题，需要对遥操作汽车进行设计和改善。

2 整体方案的确定

2.1 遥操作汽车设计总体方案

本次遥操作汽车的设计主要以底盘和载货平台的设计、直流电机的选型、选择通讯控制硬件及编写软件程序为主。最终使遥操作汽车完成以下设计：

a.最大载货量≥1t

b.最高速度≥45Km/h

c.最大爬坡度≥20%（5Km/h）

d.0-30Km/h加速时间≤10S

e.采用中央电机驱动，前轮电机转向，wifi控制。

为达到满足以上所述的要求，需根据以下5个方面，初步确定其整体方案。

（1）动力方面。自动化是港口货运未来发展的必然趋势，而采用电机驱动与采用液压驱动相比更易完成自动化控制，并且电机驱动具有高效率，节省空间等优势。本次遥操作汽车的设计选择直流电机驱动系统来作为整车的动力源。这方面的设计任务主要是是对直流电机进行计算选型。

（2）转向方面。由于本车要实现远程控制，传统的机械转向无法适应此要求，所以设计用电机来控制转向。若选用四轮轮毂转向会对轮胎产生较大的磨损，因此选择前轮转向更为合适。这方面的设计任务主要是对转向电机进行计算选型。

（3）影像获取方面。这方面主要是遥操作汽车通过安装前后摄像头来达到。摄像头可以采集环境信息并予以传送，信息被输送到遥操作汽车的控制系统来命令汽车的行动。利用遥操作汽车模型来对比三维模型和遥操作汽车的真实效果，验明模拟仿真系统的可靠性。该模型包括了信号接收发送系统，底盘系统和动力系统。

（4）控制方面。这部分性能的提升以软件部分的程序编写为主，硬件部分需要对电路板，驱动电路板，无线路由器等进行选型。遥操作汽车操纵系统软件设计的主要内容：以LabVIEW软件作为平台，编写程序和控制方程式，搭建操作定位系统，系统将承担接收信号，传递位置信息等任务。

（5）载货方面。针对港口货运的特点，主要的载货对象为集装箱，因此遥操作汽车载货平台的结构设计主要是要迎合集装箱结构特点。但考虑到货物种类繁多，也要对其他类型的货物运输进行考量。

2.2 遥操作汽车底盘模型的搭建

搭建合适的汽车模型。主要包括底盘的总成，动力系统，控制系统，转向系统。

遥操作汽车底盘总体[1]。

3 遥操作汽车驱动系统的设计

3.1 驱动电机的选型计算

3.2 驱动电机的选择

经过各类电机特点分析，永磁无刷电机的优势有结构设计简单、运行时可靠、质量小、体积小、耗能少、驱动效率高，以及选择电动机的尺寸和形状可以根据具体需要而灵活多样等，因此选定永磁无刷电机作为本车的驱动电机。

综合以上理论计算，确定遥操作汽车后轮电机的型为BM1424HQF-14BA，其参数如下表：

4 遥操作汽车转向系统的设计

4.1 转向电机选择

取用减速比为100：1和雷赛伺服电机，其号为ACM6002L2H-10-B，其参数如下表：

4.2 结构设计

在结构上采用如下图的模式：

5 整车控制系统的设计

5.1 下位机的选择

凌华科技生产的MXC-2300可扩展无风扇计算机[2]，与同类产品相比具有性能高、功耗低以及智能管理等优势，这让它广泛应用于机械自动化、车载安全监控、智能型交通运输、海运及能源等领域。

（1）卓越的计算性能同时兼具低功耗的优势

MXC-2300采用了新款四核系统单芯片（SoC）处理器，拥有强大的计算、图形和讯号处理能力，能耗表现出色，节约能源，更能在十分严苛的散热条件下良好运行。采用IntelR Gen 7 Graphics，能够同时处理最多15路1080P每秒30格影像的高速译码，全高清高画质影像和3D图形的处理性也得以增强。

（2）整合并加速系统与各设备间的通信能力

为了使系统各设备间的实时数据传输更加安全可靠并有效率，MXC-2300内建了2个隔离式CAN总线，能够有效地应用于工业生产控制，智能化交通运输，安全行车监测等多个领域的需求。

（3）高弹性扩展槽与丰富的I/O设计

凌华科技MXC-2300提供了3个高速PCI/PCIe以及1个mini-PCIe插槽，让使用者能够在多样化的选择下可以根据不同的应用需求来灵活弹性地配置。丰富的前面板I/O端口设计，让系统扩展、安装与维护变得更轻松，能够满足多样化嵌入式应用的需求。

5.2 摄像头的选择

摄像机主要负责的是图像的采集，类别有数字摄像机、模拟摄像机和网络摄像机等。网络摄像机又可称为IP摄像机，它能够将视频流通过有线或者无线网络进行传输，非常适合用于远程控制，满足遥操作的要求。

为了实现远程控制，本次采用了AXIS M 1013 IP Camera，有M 1013支持前端储存，可独立配置H.264和JPEG格式的视频流，最高帧率为每秒30帧，最高分辨率为1024×1024，同时可支持IPv4和IPv6的协议。除此之外，AXIS IP camera是Lab VIEW编程软件支持的2款IP摄像机之一。将M1013用以太网线与笔记本电脑连接，将PC笔记本电脑与M 1013的IP设置在同一局域网内，即可通过LabVIE软件对IP Camera M 1013获取的图像进行实时采集并处理[3]。

5.3 编程环境选择和控制思路

LabVIEW是一种用于程序开发的软件，与其他计算机语言相比具有的明显区别：LabVIEW使用了图形化的编辑语言G编写程序，以框图的形式来产生程序，而其他的计算机语言都采用的是基于文本的语言来产生代码。LabVIEW软件作为NI设计平台的核心，也广泛应用于控制系统[4]。该软件自身拥有十分完整的函数库，包括了数据采集、数据分析、数据显示、数据存储、GPIB、串口控制等等，使程序的调试更加方便。除此以外，LabVIEW可提供多种在外观上与传统仪器如示波器、万用表等类似的控件，让使用者创建用户界面更加方便。

本次设计使用labview编写上位机程序实现以下功能：首先由摄像头传回前方图像，控制台的操作人员通过显示器上传回的图像进行判断要进行转向或者加速，通过TCP/IP的网络通讯协议，将方向盘和踏板的数据传输给下位机，下位机根据上位机的指令完成相应的动作与功能。

6 遥操作汽车载货平台的设计及仿真分析

6.1 载货平台的结构设计

首先设计成与车身一体的载货平台，这样可以节省空间和材料，便于安装，并且车身侧边装有液晶显示频，能够实时反映遥操作汽车的整体情况参数，载货重量，设计规划任务等。车身由三部分组成，分别覆盖了汽车的前、中、后端。液晶显示屏安放在中间部分的侧面。以下便是载货平台即车身的三维建模图像。

其次是平台上用于装载集装箱的夹具的设计。在实际的港口集装箱搬运中，集装箱是由吊车将其从货船上悬吊起来再安放至遥操作汽车上，在这过程中集装箱会不停地产生晃动，很难实现以正确的位置安放，因此需要在載货平台上设置夹具对集装箱下落时的位置进行修正。另外，夹具还可起到固定作用，避免集装箱在遥操作汽车行驶时产生滑移、偏摆等不安全因素。

以下是夹具的三维建模图像

6.2 simulation仿真

应用SolidWorks simulation 仿真功能对小车进行受力仿真如图8，它可以迅速的检测、分析和比较多种参数，在分析得出的结果上重新修改设计方案。建立虚拟仿真的方法可以在很大的程度上减少了昂贵的物理模型制造和实验费用。下面拟选用以合金钢为材料的载货平台在1吨重的集装箱即10000N的压力下进行受力仿真分析。

6.3 仿真结果

如图9为选用合金钢在1吨压力下的仿真结果，从图中可以看出，以合金钢为材料的载货板在1吨的压力下产生些许变形，其数值在正常范围内，因此该方案可行。

7 总结

本次设计搭建出了一个较为完整的遥操作汽车底盘及其载货平台，实现的功能如下：

（1）成功驱动遥操作汽车底盘驱动系统、执行机构以及相关的传感器，并向上位机控制平台提供控制接口以实现基本的手动控制;

（2）利用LabVIEW内置的视觉处理模块，对遥操作汽车的彩色摄像头采集到的图像进行颜色识别处理，并利用视觉导航对机器人的运动进行自动控制;

（3）所设计的载货平台能够满足重量为1吨的集装箱的搬运工作，保证运载时的便捷，安全。并且也能完成不同类型货物的多用途运输。

参考文献：

[1]刘鑫.四轮独立电动汽车的驱动控制方法与平顺性分析[D].石家庄铁道大学，2016.

[2]凌华科技 嵌入式计算机MXC2300[J].自动化博览.2014（8）：17.

[3]赵黎明.基于单目视觉的港口AGV自主导航关键技术研究[D].集美大学，2015.

[4]刘蔚.二氧化碲—维纳米结构的气敏性能研究[D].湖南师范大学，2015.