一种智能车载体平衡自稳装置的制作方法

本实用新型涉及车载运输领域，尤其涉及一种智能车载体平衡自稳装置。
背景技术：
：随着国家经济不断的发展，各行各业的技术水平不断提高，交通运输工具的平稳度越来越成为人们关注的焦点。使得对稳定平台的需求量越来越大，特别是运输条件要求较高的快递运输业，保持运输货物的完好性和安全性。可以大大减少运输中带来的交通事故和经济损失。所以平衡自稳装置的研究具有强烈的现实和理论指导意义。与国外相比，我国对稳定平台的开发和研制相对于世界先进水平国家晚了将近十几年，自主研发的稳定平台使用的惯性元件存在精度较低等问题，嵌入式技术也远远跟不上实际需要。此外，我国在此方面研究历史较为短暂，总体上落后于欧美发达国家。但是随着国内惯性元件的研究、电子技术以及数字技术的不断进步和提高，涉及机械设计技术，机构动力学和运动学，传感器技术，数据采集技术，信号分析和处理技术，现代控制技术等多个领域不断地在完善。对稳定平台的研究也越来越受重视，正在逐渐缩小与世界上先进国家的差距。技术实现要素：为了实现自稳装置根据实际路面的情况作出相应的角度调整，保证平台始终处于平衡状态，本实用新型提供一种智能车载体平衡自稳装置，该装置根据实际路面的情况作出相应的角度调整，保证平台始终处于平衡状态，作为一种安放在移动物体上的设备，具有隔离运动物体扰动的功能。所述技术方案如下：一种智能车载体平衡自稳装置，包括正交式四杆机构、底盘、平台支柱、平台、万向节框架、万向节、3D支柱底座，所述正交式四杆机构包括直线电动机、电动伸缩缸、电动缸连接杆、连杆、平台旋转轴、轴承和轴承机架，所述直线电动机通过所述电动伸缩缸与所述电动缸连接杆连接，所述电动缸连接杆一端与所述底盘活动连接、另一端与所述连杆的一端活动连接，所述连杆的另一端与所述平台旋转轴一端活动连接，所述平台旋转轴另一端穿过轴承与所述万向节连接，所述万向节外设置万向节框架，所述万向节框架与所述平台连接，所述万向节框架通过平台支柱与所述3D支柱底座连接，所述3D支柱底座安装在底盘上，所述正交式四杆机构数量为2组，两组正交式四杆机构的平台旋转轴相互垂直，所述直线电动机为行程150mm、24V直流直线电动机。进一步的，所述3D支柱底座通过法兰盘固定在所述底盘上。进一步的，所述底盘下方安装4个全向轮。进一步的，所述万向节由两个球销副相互呈90°镶嵌连接组成。进一步的，所述轴承采用型号为KFL08的轴承。进一步的，还包括SDB支架，所述直线电动机通过SDB支架与所述底盘连接。本实用新型的有益效果是：本实用新型所述的智能车载体平衡自稳装置能根据实际路面的情况作出相应的角度调整，保证平台始终处于平衡状态，作为一种安放在移动物体上的设备，具有隔离运动物体扰动的功能。附图说明图1为本实用新型装置结构示意图；图2为本实用新型中万向节结构示意图；图3为本实用新型实施例3中平台坐标系示意图；图4为本实用新型实施例3中运动分析图；图5为本实用新型实施例3中运动工程图；图6为本实用新型实施例3中速度分析坐标图；图7为本实用新型实施例3中模仿小车上坡动态图；图8为本实用新型实施例3中时间t与小车车头转角速度关系图。其中：1.底盘、2.平台支柱、3.平台、4.万向节框架、5.万向节、6.3D支柱底座、7.直线电动机、8.电动伸缩缸、9.电动缸连接杆、10.连杆、11.平台旋转轴、12.轴承、13.轴承机架、14、SDB支架。具体实施方式实施例1：一种智能车载体平衡自稳装置，包括正交式四杆机构、底盘、平台支柱、平台、万向节框架、万向节、3D支柱底座，所述正交式四杆机构包括直线电动机、电动伸缩缸、电动缸连接杆、连杆、平台旋转轴、轴承和轴承机架，所述直线电动机通过所述电动伸缩缸与所述电动缸连接杆连接，所述电动缸连接杆一端与所述底盘活动连接、另一端与所述连杆的一端活动连接，所述连杆的另一端与所述平台旋转轴一端活动连接，所述平台旋转轴另一端穿过轴承与所述万向节连接，所述万向节外设置万向节框架，所述万向节框架与所述平台连接，所述万向节框架通过平台支柱与所述3D支柱底座连接，所述3D支柱底座安装在底盘上，所述正交式四杆机构数量为2组，两组正交式四杆机构的平台旋转轴相互垂直，所述直线电动机为行程150mm、24V直流直线电动机，所述3D支柱底座通过法兰盘固定在所述底盘上，所述底盘下方安装4个全向轮，所述万向节由两个球销副相互呈90°镶嵌连接组成，所述轴承采用型号为KFL08的轴承，还包括SDB支架，所述直线电动机通过SDB支架与所述底盘连接。一种智能车载体平衡自稳验证方法，步骤如下：S1、采用以下关系式限定平台角度θ与X4的变化关系：其中X4是连杆超出经过平台支柱顶点水平线的长度，L4是连杆的长度，θ是平台与水平线的夹角，θ2是连杆与水平线的夹角；S2、采用以下关系式限定辅助角度θ2与X3的变化关系：其中X3是电动缸连接杆和连杆的连接点到经过平台支柱顶点水平线与电动缸连接杆延长线相交点的距离,L5是连杆与平台的交点到平台支柱与平台的交点的距离，θ3是电动缸连接杆与水平面的夹角；S3、采用以下关系式限定主动件旋转角度θ3与X2的变化关系：其中X2是电动缸连接杆和连杆的连接点到连杆延长线与3D支柱底座交点的距离，L3是电动伸缩缸的长度；S4、采用以下关系式限定平台支柱的高度H与辅助角度θ2的变化关系：S5、采用以下关系式限定辅助角度θ2与平台角度θ和主动件旋转角度θ3的关系：其中θ5是穿过电动缸连接杆和连杆的连接点与电动伸缩缸和底盘的连接点的直线与水平线的夹角；S6、根据S1-S5的关系式限定出直线电机伸长量L和平台与水平线的夹角θ的关系：其中其中L1是电动伸缩缸与底盘的交点到电动缸连接杆与底盘的交点的距离，L6是电动缸连接杆的长度。实施例2：一种智能车载体平衡自稳装置，包括正交式四杆机构、底盘、平台支柱、平台、万向节框架、万向节、3D支柱底座，所述正交式四杆机构包括直线电动机、电动伸缩缸、电动缸连接杆、连杆、平台旋转轴、轴承和轴承机架，所述直线电动机通过所述电动伸缩缸与所述电动缸连接杆连接，所述电动缸连接杆一端与所述底盘活动连接、另一端与所述连杆的一端活动连接，所述连杆的另一端与所述平台旋转轴一端活动连接，所述平台旋转轴另一端穿过轴承与所述万向节连接，所述万向节外设置万向节框架，所述万向节框架与所述平台连接，所述万向节框架通过平台支柱与所述3D支柱底座连接，所述3D支柱底座安装在底盘上。所述正交式四杆机构数量为2组，两组正交式四杆机构的平台旋转轴相互垂直，所述直线电动机为行程150mm、24V直流直线电动机，所述3D支柱底座通过法兰盘固定在所述底盘上，所述底盘下方安装4个全向轮，所述万向节由两个球销副相互呈90°镶嵌连接组成，所述轴承采用型号为KFL08的轴承，还包括SDB支架，所述直线电动机通过SDB支架与所述底盘连接。每个球销副有轴承和轴与轴承机架连接构成旋转体，在xy轴平面内，能够摆动角度范围为20°至160°。假如用一个定长为L的摆动杆连接在万向节上，作定点扫描实验，可得面积S的范围，也可以确定平台在空间旋转角和倾向角变化范围，而且平台在20°～160°范围内摆动没有任何的死点。(20°<α<160°)其中α为万向节摆动角度范围。采用轴承连接构成万向节可以使平台在调节过程中更加润滑稳定的摆动。增加整个机构的平稳度和灵敏度。万向节机构实现平台同时在x和y轴方向上运动的功能，它对整个系统来说是不可或缺。实施例3：实施例1中所述的一种智能车载体平衡自稳装置，采用以下方法对其平衡性进行验证。直线电机伸长量与平台角度变化关系：分析非惯性系下平台的运动采用两个坐标系，如附图3所示，坐标系固定在机构载体本身，其原点与地面坐标系原点重合，x轴指向直线电机1伸出方向，y轴指向直线电机2伸长方向，o-xyz坐标系随着路面地形变化，在平衡状态下，坐标系原点O_xyz与平台坐标原点重合,平台绕着此坐标系的x轴和y轴的运动称为旋转和侧偏。整个机构是将直线电机的线位移量转化为平台的角位移量，通过四杆机构实现之间的转化。车载平台在道路上运动时，会导致二维的摇晃之间的耦合，平台在四杆机构之上，因此平台在x轴方向上旋转主要是由y轴方向上的直线电机提供的，同理y轴方向上侧偏是由x轴方向上的直线电机提供，因此它们存在着两个自由度之间的耦合，通过平台上面的物体分析可知，x轴方向上的旋转和y轴方向上侧偏对物体的平稳度影响非常大，所以通过电机线运动来补偿由于道路状况改变引发的平台角度变化值。保证物体在平台上平稳移动。通过多次实验和数据分析得出下面的表格：路况平地上坡下坡右偏上坡左偏上坡右偏下坡左偏下坡x轴无旋转右旋转左旋转右旋转右旋转左旋转左旋转y轴无侧偏无侧偏无侧偏前侧偏后侧偏前侧偏后侧偏直线电机的伸长量与平台角度的关系通过计算可知，它们存在着一定的对应几何关系，通过附图4和附图5可知。在ΔDCE中，可求出平台角度θ与X4的变化关系：在ΔBEF中，可以求出辅助角度θ2与X3的变化关系：在ΔABG和ΔBEF中，可以求出主动件旋转角度θ3与X2的关系：由定长支柱A计算可得：在ΔABI和ΔBIG中，可以求出辅助角度θ2与平台角度θ和主动件旋转角度θ3的关系：由上述式子可得直线电机伸长量L与平台角度θ的关系：其中：直线电机和平台运动时速度和加速度之间的关系：车载移动自稳平台的驱动原件是直线电机，它的运动速度直接影响着平台耦合时角位移变化的速度，因此为了保证平台反应速率达到实际汽车运行时的反应速率，需要分析直线电机的反应速率和直线电机与平台之间的转化关系。来了解直线电机提供的运动速度是否满足平台要求的反应速度。分析平台转角位移度度与直线电机运动速度之间的关系，由附图6可知，直线电机运动效果作用在主动件AB上，并以定点A为圆心做圆周运动，将导致角θ3的角度变化，同理主动件AB运动效果作用在连杆CB上，通过连杆CB使连架杆CD绕圆心定点D,做半径为L5圆弧运动。为了进一步对机构进行计算分析，得到直线电机运动速度与平台速度vθ的大小关系。建立如下坐标系，并将各构件表示为杆矢量。结构封闭矢量方程式的复数矢量形式，应用欧拉公式eiθ＝cosθ+isinθ将2-1的实部、虚部分离，得：L3cos(π-θ3)+L4cosθ2＝L2+L5cos(π-θ)L3sin(π-θ3)+L4sinθ2＝L5sin(π-θ)由此方程可求两个未知方位角θ和θ2，当要求解θ3时，应将θ2消去可得:L4＝L52+L32+L22-2L3L5cos(θ-θ3)-2L2L5cosθ+2L2L3cosθ3整理可得：同理：所以：其中:A＝L4+L1cosθ3B＝-L1sinθ3即连架杆CD上的动点所走过的位移S：S＝L5θ速度vθ为:主动件AB与坐标系x轴夹角θ3的角速度与直线电机的关系：由公式上诉公式可得：汽车运动和平台旋转位移之间的速度和加速度关系：车载平台主要运用在汽车上，因此对平台反应速度的要求是非常高。只有在平台耦合转角的速度远大于汽车运行俯仰角速度时，才能够保证平台在有效的时间里调整好变化的角度，使平台始终保持平衡。为了分析汽车运行的速度和平台转角角速度的关系，模拟汽车上坡时的运动状态，由附图7可知，汽车上坡时假定汽车车身长为J,上坡时运行的速度为V(m/s),上坡坡角为α，通过分析计算可得:其中，ω为角速度；通过一个系数可以算出汽车刚好在坡上时车头转角的速度VZ(m/s)。其中，系数γ通过Matlab数据仿真得到的。通过对比可知，平台转角速度vθ和汽车上坡时车头转角的速度VZ，两个速度的大小关系直接影响着平台是否在有效的时间里做出反应，如果要保证车载平台的反应达到要求，即平台转角速度vθ要大于或等于车头转角的速度VZ。通过上式2-2可知直线电机的反应速度和汽车上坡时速度的关系。由附图8分析知道，假设小车上坡坡角为30°，车身长度为8m，匀速运行的速度在7m/s，仿真出来小车车头转角速度跟时间的关系。读图可知，车头转角速度vz变化区间在100～480mm/s，根据上面分析可知，平台的转角速度可以到120～490mm/s。通过数据对比可知，平台的转角速度满足车头转角速度。以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。当前第1页1 2 3