户外型AGV越障仿真方法与实验研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.08.006

摘要/Abstract

摘要：

针对改善户外型自动导引车（AGV）的避振性和通过性的技术发展需求，提出并设计了一款户外型AGV的随动轮避振系统，并以此为研究对象，根据车辆悬架动力学理论，为其构建了7自由度动力学模型以及各方向运动的微分方程.并基于Simulink软件环境建立了仿真模型.在此基础上，以三角波输入为路面激励，对评价AGV稳定性的3个指标进行仿真分析.对AGV的越障通过性进行了实验，同时进行了AGV越障仿真方法效率对比实验，实验结果表明，AGV簧载质量最大位移均值为13.42 mm，本文建立的仿真模型的预测误差为4.6%，小于传统Adams软件的仿真预测误差.使用本文设计的基于Simulink的越障仿真方法比传统的Adams仿真方法节省了设计人员约28%的工作时间.

关键词: 户外型, 自动引导车, 7自由度动力学模型, 越障, 仿真分析

Abstract:

In response to the technical development needs of improving the vibration resistance and crossing ability of outdoor AGV（automated guided vehicle）， a follow?up wheel vibration isolation system for outdoor AGVs is proposed and designed. Based on the vehicle suspension dynamics theory， a 7?DOF dynamic model and differential equations for motion in all directions are constructed. A simulation model is established using Simulink software environment. Based on this， three evaluation indicators for AGV stability are simulated and analyzed using triangular wave input as road excitation. Experimental tests are conducted on the obstacle?crossing capability of the AGV， along with efficiency comparison experiments between different obstacle?crossing simulation methods. The experimental results show that the mean maximum displacement of spring?loaded mass in the AGV is 13.42 mm， and the prediction error of the established simulation model is 4.6%， which is lower than that of the traditional Adams software’s simulation prediction error. The use of the proposed Simulink?based obstacle?crossing simulation method saves approximately 28% working time for designers compared to the traditional Adams simulation method.

Key words: outdoor type, automated guided vehicle, 7?DOF dynamics model, obstacle?crossing, simulation analysis

中图分类号:

TH 122

赵英博, 修世超, 洪远, 步新宇. 户外型AGV越障仿真方法与实验研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(8): 1107-1114.

Ying-bo ZHAO, Shi-chao XIU, Yuan HONG, Xin-yu BU. Obstacle-Crossing Simulation Method of Outdoor AGV and Experimental Study[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(8): 1107-1114.

图/表 17

图1 料架型AGV

Fig.1 Material rack type AGV

图2 AGV三维模型

Fig.2 AGV 3D model

图3 AGV随动轮减振机构

Fig.3 Vibration dampening mechanism for AGV follow?up wheel

图4 AGV的7自由度模型

Fig.4 7?DOF model of AGV

表1 AGV随动轮7自由度动力学模型参数

Table 1 Parameters of 7?DOF dynamics model of AGV follow?up wheel

符号	参数名称	单位
M	AGV簧载质量	kg
a	1/2前后随动轮距	m
b	1/2左右随动轮距	m
k₂	随动轮等效刚度	N/m
z	AGV簧载质量位移	m
z₁	左前轮非簧载质量位移	m
z₂	右前轮非簧载质量位移	m
z₃	左后轮非簧载质量位移	m
z₄	右后轮非簧载质量位移	m
k₁	随动轮减振器刚度	N/m
c	随动轮减振器阻尼	N·s/m
q₁	左前轮路面激励	m
q₂	右前轮路面激励	m
q₃	左后轮路面激励	m
q₄	右后轮路面激励	m
I₁	AGV俯仰转动惯量	kg·m²
I₂	AGV侧倾转动惯量	kg·m²
θ	AGV簧载质量俯仰角	（°）
φ	AGV簧载质量侧倾角	（°）

图5 Simulink仿真模型工作流程

Fig.5 Flow chart of the simulation model for Simulink

图6 AGV的7自由度动力学Simulink仿真模型

Fig.6 Simulation model of AGV 7?DOF dynamics for Simulink

图7 路面障碍示意图

Fig.7 Road obstacle diagram

图8 路面激励输入

Fig.8 Road excitation input

表2 AGV实际参数值

Table 2 Actual parameter values of AGV

符号	参数名称	单位	数值
M	AGV簧载质量	kg	483
a	1/2前后随动轮距	m	1
b	1/2左右随动轮距	m	0.75
k₂	随动轮等效刚度	N/m	150 000
k₁	随动轮减振器刚度	N/m	15 000
c	随动轮减振器阻尼	N·s/m	1 200
I₁	AGV俯仰转动惯量	kg·m²	53
I₂	AGV侧倾转动惯量	kg·m²	38

图9 AGV仿真曲线（a）—位移曲线；（b）—俯仰角曲线；（c）—侧倾角曲线.

Fig.9 AGV simulation curves

图10 Adams中的模型建立流程

Fig.10 Flow chart of model building in Adams

图11 Adams中簧载质量位移仿真曲线

Fig.11 Spring?loaded mass displacement simulation curve in Adams

图12 实验场景

Fig.12 Experimental scene

表3 实验振幅

Table 3 Experimental amplitude

实验次数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
最大振幅/mm	13.51	14.52	12.78	14.36	12.37	14.11	13.66	13.58	12.89	12.44

图13 位移曲线对比

Fig.13 Displacement curve comparison

表4 仿真方法所用的时间 (h)

Table 4 Time used by simulation methods

AGV项目	Simulink	Adams
合计	86	120
1	24	36
2	18	24
3	44	60

参考文献 15

1	Sabattini L， Aikio M， Beinschob P，et al.The PAN‑robots project：advanced automated guided vehicle systems for industrial logistics［J］.IEEE Robotics & Automation Magazine，2018，25（1）：55-64.
2	Pham Q H， Tran N H， Ton T P.Design and control of automated guided vehicle［J］.Applied Mechanics and Materials，2020，902：33-42.
3	De Ryck M， Versteyhe M， Debrouwere F.Automated guided vehicle systems，state‑of‑the‑art control algorithms and techniques［J］.Journal of Manufacturing Systems，2020，54：152-173.
4	薛栋梁，徐杰颖，谢仕鸿.AGV在冷轧磨辊间的应用［J］.重型机械，2019（1）：28-32.
	Xue Dong‑liang， Xu Jie‑ying， Xie Shi‑hong.Application of AGV（automated guided vehicle） in cold‑rolling grinding roll shop［J］.Heavy Machinery，2019（1）：28-32.
5	Tong F， Tso S K， Xu T Z.A high precision ultrasonic docking system used for automatic guided vehicle［J］.Sensors and Actuators A：Physical，2005，118（2）：183-189.
6	Ruiz M V， Sierra G J E.Simulation tool for tybrid AGVs based on IEC-61131［J］.IEEE Latin America Transactions，2022，20（2）：317-325.
7	Ahmadian M.Magneto‑rheological suspensions for improving ground vehicle’s ride comfort，stability，and handling［J］.Vehicle System Dynamics，2017，55（10）：1618-1642.
8	郑丽辉，张月忠.基于Simulink的1/4车辆悬架建模及仿真［J］.时代汽车，2020（20）：148-149.
	Zheng Li‑hui， Zhang Yue‑zhong.Modeling and simulation of 1/4 vehicle suspension based on Simulink ［J］.Auto Time，2020（20）：148-149.
9	Abdi B， Mirzaei M， Mojed G R.A new approach to optimal control of nonlinear vehicle suspension system with input constraint［J］.Journal of Vibration and Control，2018，24（15）：3307-3320.
10	Roebuck R L， Cebon D.Implementation of semi‑active damping on a tri‑axle heavy‑vehicle suspension［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D：Journal of Automobile Engineering，2008，222（12）：2353-2372.
11	王振峰.考虑垂向与横向运动特性的车辆悬架系统状态估计及控制研究［D］.北京：北京理工大学，2018.
	Wang Zhen‑feng.Research on state estimation and control of vehicle suspension system considering vertical and lateral motion characteristics ［D］.Beijing：Beijing University of Technology，2018.
12	Hamed G R， Hiza S.Trouser tearing of a model natural rubber tire belt vulcanizate，part 2：a brief note on the effect of cure time［J］.Rubber Chemistry and Technology，2010，83（2）：213-215.
13	刘博，王国军，李绍锋.障碍物形状对车辆冲击平顺性的影响［J］.军事交通学院学报，2019，21（6）：86-91.
	Liu Bo， Wang Guo‑jun， Li Shao‑feng.Effect of obstacle shape on vehicle’s movement smoothness ［J］.Journal of Military Transportation University，2019，21（6）：86-91.
14	Besselink I J M， Schmeitz A J C， Pacejka H B.An improved magic Formula/Swift tyre model that can handle inflation pressure changes［J］.Vehicle System Dynamics，2010，48（sup1）：337-352.
15	Yim S.Coordinated control of ESC and AFS with adaptive algorithms［J］.International Journal of Automotive Technology，2017，18（2）：271-277.

[1]	耿健，王晓冬，郭美如，黄海龙. 流量计法测量微型溅射离子泵抽速的方法[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(9): 1298-1305.
[2]	李小彭，尚东阳，李凡杰，曹伟龙. 输电线巡检机器人动力学建模与DME评价[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(9): 1280-1284.
[3]	宁久鑫，黄海龙，王晓冬，孙浩. 溅射离子泵抽气单元放电及离子输运仿真[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(7): 962-967.
[4]	房立金，祝帅，贺长林，许继谦. 新型四臂巡检机器人结构设计及转向越障研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(6): 825-830.
[5]	房立金，贺长林，祝帅，陶广宏. 串联多臂式巡检机器人控制策略及轨迹规划方法[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(5): 734-739.
[6]	姜世杰，杨松，吴丹，闻邦椿. 高速列车头车外流场气动噪声的仿真与实验研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2018, 39(8): 1137-1142.
[7]	李播博，袁惠群，王光定，赵天宇. 基于振动环境预测的结构动力学特性分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2018, 39(2): 216-220.
[8]	魏永乐，房立金，陶广宏. 双臂巡检机器人越障能力分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2017, 38(9): 1293-1297.
[9]	李小彭，王雪，运海萌，安镰锤. 考虑弹塑性变形的结合面静摩擦系数分形模型[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2016, 37(5): 673-677.
[10]	朱兴高，顾亮. 履带车辆行驶速度对负重轮动位移的影响[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2016, 37(4): 548-553.
[11]	房立金，陶广宏. 新型多单元串联巡检机器人机构研究与设计[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2014, 35(8): 1173-1177.
[12]	马彦，李威. 形状记忆合金管接头结构优化与有限元分析[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2013, 34(8): 1166-1170.
[13]	宋锦春;王磊;. 曲轴连杆轴颈静压轴承的设计与数值模拟[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2011, 32(3): 407-410.
[14]	吴春俐;肖景魁;张丽;王金星;. 磁共振成像超导接收线圈品质因数的仿真分析[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2009, 30(2): 184-186+199.
[15]	席广恒;陈啸;刘斌;王吉英;. 体外预应力桥钢索转向区力学性能仿真分析[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2008, 29(1): 133-136.