Prototype of an Electric Vehicle Based on Bigo.Land

全文:

Введение

Разработка и реализация проектного решения для электромобиля является сложной междисциплинарной задачей, включающей в себя множество частных взаимосвязанных исследовательских, конструкторских и технологических задач. В связи с этим особое значение приобретает разработка прототипа электромобиля, позволяющая в условиях ограниченных ресурсов создать и реализовать некое концептуальное проектное решение, а на его основе – решить одну или несколько частных инженерных задач. Таким образом, разрабатываемый прототип в рамках своей концепции предусматривает акцент на какую-то одну или несколько из своих многочисленных функций, реализуемых, в частности, электрическими роботизированными транспортными средствами и широко используемыми в промышленном и агропромышленном комплексах (например, в системах параллельного вождения «подруливание»).

При этом ключевым моментом является выбор платформы для реализации проекта, в качестве которой в данной работе был использован конструктор Bigo.Land. Платформа позволяет реализовать проект с самого начала, при этом обеспечивает многовариантность конструирования и проектирования.

Одной из частных инженерных задач является реализация функции комбинированного управления, сочетающая в себе дистанционное (по радиоканалу), программное и ручное управление. Дистанционное и программное управление для краткости и во избежание путаницы с терминологией ArduPolot будем называть телематическим. В случае нештатных ситуаций, когда у пилота возникает необходимость взять управление на себя, или же в случае, когда по той или иной причине пилот решает изменить программную траекторию движения – указанная функция является необходимой.

В данной работе рассматриваются бюджетные варианты реализации системы управления электромобилем, которые удовлетворяли бы всем техническим требованиям проекта в целом.

Целью исследования является разработка прототипа электромобиля, обладающего указанным функционалом комбинированного управления, под которым мы понимаем возможность простого и безопасного переключения пилотом режимов управления с ручного на телематический и обратно.

Обзор литературы

Перспективы развития электромобилестроения широко обсуждаются в литературе в экономическом [1], техническом [2] и экологическом аспектах [3; 4].

В ряду технических проблем прототипирования особое место занимает рассмотрение вопросов, связанных с информационными технологиями, используемыми для управления электромобилем, его автопилотированием и функциями автономного поведения [5–7]. Наиболее близкими к нашему исследованию являются те работы, которые рассматривают задачи прототипирования электромобиля, в частности, проекты, выполненные по программе инженерного соревнования Formula Student Russia¹.

Одной из частных инженерных задач, решаемых в рамках данного проекта, является реализация комбинированного (ручного, дистанционного, программного) управления. Среди подходов к решению этой задачи рассмотрим те из них, которые используют только механические системы без электронных компонент.

Как правило, в этом случае предлагается использовать роликовые или зубчатые (планетарные) муфты, предусматривающие два варианта работы. Первый вариант в основном используется в схватах роботов андроидного типа и обеспечивает передачу крутящего момента от входного вала к выходному, а также блокировку выходного вала (самоторможение) при необходимости. Второй вариант (как в нашем случае) предусматривает суммирование углов поворота двух входных валов на выходном валу.

В кинематической схеме механизма, обеспечивающего второй вариант работы, необходимо предусмотреть дополнительную вращательную степень свободы для детали, которая в первом варианте фиксируется. В остальном принципиальная разница между этими механизмами отсутствует.

Так, в исследование [8] был предложен механизм двунаправленного действия с использованием планетарного зубчатого зацепления, обеспечивающий малую потерю мощности и малый люфт по сравнению с муфтой роликового типа и при высокой скорости вращения.

В работах [9; 10] приведены проекты муфт роликового типа, ориентированные на первый вариант работы, представлен их подробный кинематический, статический и динамический анализ, даны рекомендации по поводу назначения размеров конструктивных элементов.

Анализ обгонных муфт сопряжен со значительными трудностями и предусматривает моделирование контактного взаимодействия твердых деформируемых тел с учетом сил трения. Авторами исследования [11] представлен усовершенствованный метод анализа фрикционных контактов в муфтах свободного хода, позволяющий оценить возможность проскальзывания в контакте и потери сцепления в зависимости от сценария использования муфты. В работе [12] выполнен анализ энергоэффективности муфты при значительных нагрузках.

Сложность задачи предполагает широкий арсенал средств и инструментов анализа конструкции. Например, ANSYS используется в исследованиях [9; 10], инструменты ADAMS/SOLVER SUBROUTINE – в статье [13], SIMULINK – в работе [14].

В целом, представленное нами исследование продолжает опыт авторов по разработке беспилотных мобильных систем на базе ArduPilot/APM/Pixhawk [15–18].

Материалы и методы

Архитектура прототипа электромобиля в общем виде представлена на рисунке 1 и включает в себя следующие компоненты и системы: шасси и ходовую часть; электродвигатель (как правило, более одного); системы энергоснабжения, управления, радиосвязи (FPV), позиционирования и очувствления, программирования и программного управления.

Управление движением электромобиля (мобильного колесного робота) осуществляется по классической схеме (рис. 1) с двумя приводными (задними) колесами и двумя рулевыми (передними) колесами. Механизм поворота обеспечивает принцип управления Аккермана [19] и включает в себя вал руля, маятник, установленный на валу руля и осуществляющий поворот рулевой трапеции. В случае программного и дистанционного управления конструкция дополняется сервоприводом. Таким образом, согласно классификации [20] рассматриваемый робот относится к типу 4Х2K2Ру.

В программно-аппаратную часть системы управления², построенную на базе ArduPilot и используемую нами в работах [16–18], внесли некоторые изменения.

 

Рис. 1. Архитектура электромобиля

Источник: рисунки 1, 11 составлены авторами статьи.

 

Fi g. 1. Electric vehicle architecture

Source: figures 1, 11 are made by the authors of the article.

 

Штатный вариант ArduPilot (ArduRover) предусматривает использование ШИМ-сигнала в качестве управляющего для драйвера мотора, а драйвер Bigo.Land в качестве управляющего использует аналоговый сигнал, получаемый непосредственно от ручки газа (с использованием датчика Холла). В этой связи необходимо между соответствующим портом Pixhawk, передающим управляющий ШИМ-сигнал, и драйвером мотора установить настраиваемый конвертер, преобразующий ШИМ в аналоговый сигнал, соответствующий по диапазону изменения напряжения штатным значениям Bigo.Land. Во всем остальном программно-аппаратная часть системы управления совпадает с представленной в работах [15–18].

Виртуальная CAx-модель электромобиля разработана в соответствии с конструктивными особенностями Bigo.Land в параметрической форме, при этом глобальными переменными являются основные геометрические параметры шасси: L (колесная база) и H (размер колеи) [15]. Видеоролик³  иллюстрирует основные параметрические свойства модели, а также процесс тестирования прототипа электромобиля как в натурном, так и виртуальном вариантах в различных режимах управления.

Основным инструментом интеграции виртуальной и натурной модели является единая система траекторного управления и путевой стабилизации [15–18]. К сожалению, для виртуальной модели в виде CAx реализовать процесс управления синхронно в реальном времени не удается в виду вычислительной трудоемкости CAx-модели. Средства имитационного моделирования, включенные в состав наземных станций управления (например, ArduPilot SITL, Mission Planner⁴), позволяют синхронизировать управление натурной виртуальной модели и модели, созданной в среде MissionPlanner. При этом необходимо обеспечить комбинированное дистанционное (программное) и ручное управление. Это означает, что поворот вала руля, соединенного с рулевой трапецией, должен совершаться в дополнение к повороту вала сервомотора, реализующему функции автопилотирования. Иными словами, необходимо дополнительное устройство, установленное между валом сервомотора и валом руля, обеспечивающее функцию «подрулирования» со стороны пилота (рис. 2). Необходимость такой функции очевидна и связана прежде всего со всякого рода нештатными ситуациями, в которых автопилот не в состоянии справиться, и требуется вмешательство пилота.

Указанную задачу можно решить, используя обгонную муфту двустороннего действия. На рисунке 3 приведена сборка обгонной муфты, которая включает в себя полумуфту и вал рулевой трапеции, полумуфту и вал сервомотора, ролики, пружины роликов, подшипники, а также вал руля с кулачками. На рисунке 4 показана установка обгонной муфты на актуальную для решения этой задачи часть всей конструкции электромобиля. Видеоролик иллюстрирует сборку муфты⁵.

 

 

Рис. 2. Система управления движением

Fig. 2. Motion control system

Источник: модели для рисунков 2–10 построены в САx-системе SolidWorks.

Source: models for figures 2–10 are created with the use of the САx-SolidWorks.

 

Рис. 3. Сборка обгонной муфты

Fig. 3. Overrunning clutch portion assembly

 

Рис. 4. Обгонная муфта в контексте сборки всей конструкции

Fig. 4. Overrunning clutch in the context of the assembly of the complete structure

 

Круглый вал руля от муфты и шестигранный вал рулевой трапеции с цилиндрическим отверстием расположены относительно друг друга коаксиально. При повороте рулевых колес в ручном режиме управления силы трения колес о контактируемую поверхность тормозят поворот полумуфты и вала рулевой трапеции, что обеспечивает разблокирование этого вала с полумуфтой и валом сервомотора.

В результате пилот получает возможность управлять электромобилем при фиксированном положении вала сервомотора, заданного автопилотом. В свободном состоянии руля пружины выталкивают ролики, механизм блокируется от взаимного поворота полумуфт, и сервомотор поворачивает вал рулевой трапеции вместе с валом руля на угол, заданный автопилотом.

Функциональность обгонной муфты обеспечивается множеством параметров. Среди них основными являются геометрические и массово-инерционные параметры деталей, а также жесткости пружин. Кроме того, помимо заданных габаритов, необходимо обеспечить передачу крутящего момента, достаточного для поворота рулевых колес.

Для определения необходимых крутящих моментов следует определить момент M_k на поворотном кулаке передней подвески и, соответственно, момент M_r на валу руля в состоянии покоя (рис. 5). Из условий статического равновесия

M_r = F_rh_r = 2F_sh_s = 2M_k,

где F_r и F_s – силы, создающие момент на маятнике и рулевой тяге, а h_r и h_s – плечи этих сил для моментов M_r и M_k соответственно.

 

Рис. 5. Крутящий момент на руле

Fig. 5. Steering wheel torque

 

Примечание: M_k – момент на поворотном кулаке передней подвески; M_r – момент на валу руля; F_r и F_s – силы, создающие момент на маятнике и рулевой тяге; h_r и h_s – плечи этих сил для моментов M_r и M_k соответственно.

Note: M_k – the torque on the steering cam of the front suspension; M_r – the torque on the steering shaft; F_r and F_s are the forces creating the moment on the pendulum and steering rod; h_r and h_s are the arms of these forces for the moments M_r and M_k, respectively.

 

Для определения момента на поворотном кулаке предлагается упрощенная модель, включающая в себя колесо, смонтированное на оси и несущей вилке (рис. 6).

Крутящий момент на валу вилки колеса может быть определен согласно известному соотношению [21]:

$$\begin{gathered} M_k=\underset{0}{\overset{2\pi }{\int }}\underset{0}{\overset{R}{\int }}\mathrm{\mu }p{r}^{2}drd\mathrm{\phi }=\underset{0}{\overset{2\pi }{\int }}\frac{\mathrm{\mu }p{R}^3}{3}d\mathrm{\phi }=\frac{2\pi }{3}\mathrm{\mu }p{R}^3 \\ =\mathrm{0,178743}\mathrm{H}\cdot \mathrm{м}=\mathrm{178,7}\mathrm{H}\cdot \mathrm{мм}, \end{gathered}$$

 где μ = 0,8 (коэффициент трения покоя); p = 1,5 атм = 151 988 Па (давление в шине); R = 0,08885 м (радиус пятна контакта шины с поверхностью парковки).

Таким образом, требуемая величина $M_r^0=358$ Н·мм.

Результат численного эксперимента с использованием модели SolidWorks Motion (рис. 6) дает для искомой величины $M_k^{sw}=175$ Н·мм.

Рис. 6. Крутящий момент на поворотном кулаке (вилке)

Fig. 6. The rotary cam torque

 

Для определения необходимых параметров механизма разработана аналогичная представленной на рисунке 3 модель, позволяющая проводить численные эксперименты независимо от модели всей системы управления, включающей в себя колеса, подвески, рулевую трапецию и т. д. Исследование такой громоздкой модели требует существенных вычислительных затрат.

Рассматриваемая модель (рис. 7) дополнена несущей осью, тормозной колодкой, пружиной и винтом тормозной колодки. Силы трения тормозной колодки о поверхность несущей оси определяются силой сжатия пружины тормозной колодки. Соответствующий момент трения относительно оси вращения аналогичен тому самому «полезному» моменту M_r, передаваемому от полумуфты рулевой трапеции на вал рулевой трапеции.

 

Рис. 7. Сборка обгонной муфты

Fig. 7. Overrunning clutch assembly

 

Результаты исследования

Для определения необходимой жесткости пружин при заданной силе прижима тормозной колодки была проведена серия численных экспериментов. Если крутящий момент приложен на валу серво, то вал руля фиксируется. И наоборот: если момент приложен на валу руля, то вал серво фиксирован. Первую задачу будем условно называть прямой, вторую – обратной.

Рисунок 8 иллюстрирует механизм разблокирования муфты при очень малой (k = 0,05 Н·мм) жесткости пружин роликов. При этом сила прижима тормозной колодки задана значением P = 0. В этом случае функция разблокирования обеспечивается только инерционными свойствами вкладыша, поскольку трение во вращательной кинематической паре «ось несущая – вкладыш» в рамках данной модели также не учитывается, и сопряжение работает как идеальный подшипник скольжения.

При возрастании крутящего момента (первый сверху график на рисунке 8) происходит разблокировка муфты, и сила трения в кинематической паре «ролик – обойма полумуфты серво» быстро уменьшается (третий сверху график). На рисунке 8 приведен также график (второй сверху) зависимости от времени силы упругого сжатия пружины ролика. Вначале эта сила увеличивается, затем значение ее стабилизируется. В целом механизм разблокирования муфты показан в видеоролике⁶. Величина внешнего крутящего момента, соответствующая установившемуся движению, составляет 18 Н·мм.

 

Рис. 8. Механизм разблокирования муфты

Fig. 8. Clutch release mechanism

 

В рассматриваемых условиях, то есть при малых значениях жесткости пружин роликов, функция разблокирования наблюдается явным образом. Однако при решении обратной задачи, то есть при фиксации вала руля и нагружении внешним крутящим моментом вала сервомотора, можно наблюдать слишком малую величину момента трения покоя, которая значительно меньше ранее определенного нами момента $M_r^0=358$ Н·мм, необходимого для поворота рулевых колес. Так, в рассматриваемом случае (k = 0,05 Н·мм) величина крутящего момента трения, соответствующая переходу от статического трения к кинематическому, составила всего лишь 79 Н·мм.

Требуемый функционал муфты в рамках данной модели может быть обеспечен увеличением жесткости пружин роликов k и силы прижима тормозной колодки. При достаточно высоком значении момента трения в кинематической паре «вкладыш – несущая ось» будет обеспечено требуемое торможение вкладыша в начальном моменте движения и, как следствие, деформация пружин роликов с последующим разблокированием муфты. Так, при k = 1,00 Н·мм и силы прижима колодки P = 10 Н наблюдаем надежное разблокирование муфты в начальный момент движения и с моментом 310 Н·мм при установившемся движении (рис. 9). На рисунке 9 аналогично случаю, представленному на рисунке 8, при возрастании крутящего момента (первый сверху график на рисунке 9) происходит разблокировка муфты, и сила трения в кинематической паре «ролик – обойма полумуфты серво» быстро уменьшается (второй сверху график).

 

Рис. 9. Крутящий момент приложен к валу руля

Fig. 9. The torque is applied to the steering shaft

 

Рисунок 10 иллюстрирует решение обратной задачи. При этом крутящий момент, приложенный к валу сервомотора, достигает в статическом состоянии величины 403 Н·мм. Для получения «полезного» значение момента M_r, реализуемого сервомотором, необходимо вычесть из найденного значения величину момента трения, обусловленного прижимом тормозной колодки. На графике (первый сверху) это значение соответствует точке с абсциссой t = 0. Итак, в нашем случае полезная величина M_r = 403 – 79 = 324 Н·мм. На рисунке 10 приведена также зависимость от времени силы трения в кинематической паре «ролик – обойма полумуфты серво» (второй график сверху), которая быстро достигает максимальной величины, соответствующей силе трения покоя в начальной стадии движения.

Рис. 10. Крутящий момент приложен к валу сервомотора

Fig. 10. The torque is applied to the shaft of the servo motor

 

Для пары значений k = 2 Н·мм и P = 10 Н аналогичная разность для крутящего момента составила M_r = 500 – 79 = 421 Н·мм, что больше $M_r^0$ и, таким образом, удовлетворяет заданным требованиям для поворота рулевых колес.

Проведенная серия численных экспериментов позволила исследовать качественные особенности механизма и сделать приблизительные оценки для параметров, задаваемых количественно.

Для испытания обгонной муфты в ее натурном исполнении был собран экспериментальный стенд (рис. 11). Стенд включает в себя обгонную муфту, вал со стороны сервомотора, вал со стороны руля, маятник с рычагом (в рулевом механизме он предназначен для поворота рулевой трапеции и рулевых колес), электронный динамометр.

Назначение стенда состоит в тестировании основной функции муфты – комбинированного управления, непосредственно связанного с блокировкой и разблокировкой муфты. Этот функционал уже был протестирован нами на виртуальной модели в процессе решения двух задач: прямой и обратной.

В процессе натурного эксперимента для прямой задачи вал сервомотора освобождается и, таким образом, свободно поворачивает как маятник, так и вал руля. Этот вариант работы муфты соответствует телематическому режиму управления. При этом динамометр фиксирует крутящий момент, передаваемый на рулевую трапецию.

В процессе натурного эксперимента для прямой задачи вал сервомотора фиксируется ключом (рис. 11). Это состояние соответствует фиксированному валу сервомотора при телематическом управлении. При этом вал руля свободно поворачивает маятник с рычагом, а динамометр фиксирует передаваемый на рулевую трапецию крутящий момент аналогично предыдущему эксперименту.

Полученные численные значения свидетельствуют о том, что передаваемый муфтой крутящий момент как в первом (ручном), так и во втором (телематическом) режимах управления в пересчете к требуемой величине крутящего момента $M_r^0=358$ Н·мм, соответствует заданному необходимому значению этого момента.

Рис. 11. Экспериментальный стенд для испытания обгонной муфты

Fig. 11. Experimental bench for overrunning clutch test

 

Процедуру тестирования электромобиля как в натурном, так и в виртуальном исполнении иллюстрирует видеоролик⁷.

Обсуждение и заключение

Разработана интегрированная натурная и CAx-модель прототипа электромобиля с комбинированным ручным и программным (дистанционным) управлением.

Обгонная муфта двунаправленного действия, установленная между валом сервомотора и валом руля, обеспечивает функцию «подрулирования» со стороны пилота наряду с дистанционным (программным) управлением.

Проведенные численные эксперименты с CAx-моделью и натурные эксперименты подтверждают работоспособность муфты и системы управления в целом.

Проект представляет собой законченную разработку, выполненную на базе принципов системного инжиниринга, позволяющего объект проектирования и все его подсистемы рассматривать как единое целое и в конструкторском, и в функциональном аспектах. Параметрические свойства разработанных CAx-моделей обеспечивают возможность масштабирования и адаптации проекта для решения широкого круга практических задач проектирования конструкций данного класса.

 

¹ Международный образовательный проект «Формула студент» [Электронный ресурс] : сайт. URL: http://fstudent.ru/ (дата обращения: 23.09.2024); Студенческие инженерные проекты : сборник материалов и докладов 6-го Всероссийского форума. М. : Мир науки, 2020. URL: https://izd-mn.com/PDF/50MNNPK20.pdf (дата обращения: 23.09.2024).

² Программно-аппаратное решение для мобильной роботизированной платформы / И. А. Лакомкин [и др.] // L Огарёвские чтения : материалы Всеросс. с междунар. участием науч. конф. 3 ч. (6 ноября – 11 декабря 2021 г., г. Саранск). Саранск : Национальный исследовательский Мордовский государственный университет, 2022. Ч. 1. С. 774–779. https://elibrary.ru/hacxjs

³ Видеоролик размещен на https://cloud.mail.ru/public/smFo/Ygfm7ecce

⁴ SITL Simulator (Software in the Loop) [Электронный ресурс] : сайт. URL: https://ardupilot.org/dev/docs/sitl-simulator-software-in-the-loop.html (дата обращения: 23.09.2024).

⁵ Видеоролик размещен на https://cloud.mail.ru/public/mgXo/FfbBQtV5z

⁶ Видеоролик размещен на https://cloud.mail.ru/public/vYzM/dJYeQxoY6

⁷ Видеоролик размещен на https://cloud.mail.ru/public/smFo/Ygfm7ecce

 

作者简介

Mikhail Chugunov

National Research Mordovia State University

Email: m.v.chugunov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5318-5684
SPIN 代码: 5861-0050
Researcher ID: H-7452-2018

Cand.Sci. (Eng.), Associate Professor, Head of Chair of Design and Technology
Informatics

俄罗斯联邦, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Irina Polunina

National Research Mordovia State University

Email: my_pk@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1093-8401
SPIN 代码: 3406-3859

Cand.Sci. (Ped.), Associate Professor of Chair of Design and Technology Informatics

俄罗斯联邦, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Alexander Ovchinnikov

National Research Mordovia State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: ovchinnikov.alexander@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-6796-1824

Cand.Sci. (Eng.), Senior Lecturer at the Department of Mechanical Engineering Technology

俄罗斯联邦, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

参考

补充文件