履带式无人运输平台底盘设计学士学位论文.doc
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1、装订线毕业设计(论文)履带式无人运输平台底盘设计摘 要随着社会的发展,为了应对军事目的以及特种作业需求,做好未来战争的物质基础,高技术装备的发展和推新尤为引人注目,并呈现出向无人化发展的趋势。传统车辆系统因其带来的交通事故、人力资源浪费和许多特殊场合无法操控等缺点,越来越不能满足人类需求,无人机动平台可以克服这些缺点。地面无人机动平台作为智能交通系统和未来战斗系统的一个重要组成,在军用和民用两方面都有巨大的应用前景。其通过外部挂载不同的功能模块,可以达到代替人类完成不同的作战、侦察、救护、消防和爆炸物拆除等特种作业的目的。发展无人机动平台减少人类直面危险的可能,从而减少人员伤亡和资金投入。履带
2、式底盘是构成履带式无人机动平台的基本结构,也是其重要组成部分。本文介绍了国内外各种履带式底盘的结构和发展,研究其机动性能,设计出一种较简易的遥控小型履带无人车的履带式底盘。关键词:履带式底盘,机动性能,遥控驾驶,无人机动平台,搭载装置目 录摘要Abstract目录1绪论1 1.1履带无人平台研究背景1 1.2履带无人平台发展概况22 履带无人平台研究目的4 2.1履带无人平台底盘发展 2.2履带底盘的关键技术43几种履带无人平台底盘方案5 3.1设计方案遵循原则5 3.2设计要求及主要参数6 3.3具体设计方案 4 履带无人平台底盘总体设计 4.1底盘结构设计9 4.2悬挂系统设计9 4.3驱
3、动系统设计9 4.4设计相关计算95履带无人平台底盘设计总体图 6履带无人平台底盘主要零件图 7结束语 8参考文献致谢 1.绪论1.1履带无人平台的研究背景随着高新技术的迅猛发展引发了社会各领域的一系列重大变革,作为未来战争的物质基础,高技术装备也在不断发展和推新中,并呈现出向无人化发展的趋势。传统车辆系统因为其带来的交通事故、人力资源浪费和许多特殊场合无法操控等缺点,越来越不能满足人类需求,无人驱动平台可以克服这些缺点。无人平台就是人不在平台的一套系统。按照使用场景的不同,可分为海上、地面、空中以及深空探测无人平台。所谓地面无人平台就是在地面上行驶的能执行特定任务的机器人,是机械化、信息化、
4、智能化高度融合的机动平台。同时随着计算机技术、信息技术、人工智能、导航定位等技术的深入发展,无人化技术取得了坚实的基础和越来越广泛的应用,并迅速涌现出如地面无人车、无人机、无人反潜战潜水机等各种类型的无人产品。比如军用的地面移动机器人在各种复杂环境下具有较高的机动性,可以代替人类进入一些危险和未知的环境,适用于国防和民用等多个领域,而且在反恐斗争中也可以发挥很大作用。地面无人机动平台作为智能交通系统和未来战斗系统的一个重要组成,在军用和民用两方面都有巨大的应用前景。其通过外部挂载不同的功能模块,可以达到代替人类完成不同的作战、侦察、救护、消防和爆炸物拆除等特种作业的目的。发展无人机动平台可以解
5、放人力,减少人类直面危险的可能,从而减少人员伤亡和资金投入。 无人机动平台不仅在军事上有重大作用,在交通运输中也可以有很广泛的应用。且其所涉及的精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、新能源与材料、传感与信息处理以及人工智能等基础技术都可以辐射到很多场合,推动很多产业与技术的进步。因此世界各国对开展无人机动平台都很积是重视和支持。其中美国的技术尤为领先与其他国家。 我国对于这方面的研究起步较晚,一些基础技术也不够成熟,开展地面无人机动平台的研究对于我国有很重要的现实意义。本文主要针对履带式无人机动平台底盘进行研究,履带式底盘具有牵引力大、接地比压低、爬坡能力强和转弯半径小等特点。穿越沙石、泥
6、泞及崎岖地形的能力较强。其在装甲车和运输车中都有较广泛的应用,大大加强了这些车辆的越障能力。1.2履带无人平台发展概况履带式无人运输平台是指在车内没有驾驶者的情况下,能够在各种复杂路面或野外环境中行驶并执行某项任务的履带式车。最初对于无人车的研究是源于军事应用的需要,但科学技术的进步使得无人车在民用领域的应用前景也日益增长。无人车在军事领域被广泛应用于侦察巡逻、火力攻击、战场运输、扫雷和导弹发射等,民用领域中则可以完成消防、排爆、救援、安保等工作。在无人机动平台的研究方面,美、英、德、法、日等军事发达国家走在世界的前沿,其中美国更为领先。这些国家都有自己独立的无人机动平台计划,目前主要投入于军
7、事应用方面。在海湾战争、科索沃战争到伊拉克战争这些现代战争中,无人平台的作用日益凸显,并逐渐成为现代信息化战场上不可或缺的重要角色。无人地面机动平台如今已成为世界各国争相研制的“热点”兵器。1.2.1国外履带无人平台发展概况关于地面无人平台、“遥控战车”的最早发展甚至是可以追溯到第二次世界大战期间纳粹德国在东线战场上投入了几类“歌利亚”遥控爆破坦克,用于对付碉堡工事和盟军的“谢尔曼”等坦克。20世纪50年代后期开始,苏联也展开了大规模的无人地面车辆研究。在冷战另一方的美国,美国斯坦福大学、麻省理工学院等研究机构在政府部门的支持下开展了无人地面车辆的研究。但是无人化车辆真正作真正开始飞速发展是在
8、20世纪80年代,西方国家大力投入人力物力,将传感技术、自动控制、人工智能、机器视觉、导航定位、信息融合处理等技术汇于一体,无人机动平台取得跨越式进步。 30多年来,美国在无人地面机动平台的装备、研究和应用上始终处于国际领先水平。美国国防部鼓励国内各团体大力发展无人作战系统,其中卡耐基梅隆大学率先研制出Crusher大范围复杂越野的无人机动平台。而美国的小型无人作战平台已经趋近于实用化,在阿富汗和海湾战争中已经得到一定程度的实战检验。截至2009年,美国在伊拉克和阿富汗战场上使用了约3500辆无人地面车辆,主要用于爆炸物的探测与处理,如“魔爪”机器人、MPR-800型多用途无人地面作战平台、通
9、用机器人运输系统(ARTS)、MK MOD系列爆炸物处理机器人等。图1-1“魔爪”履带无人平台图 图1-2爆炸物处理履带无人平台美军目前有100多项战斗任务可由机器人承担,如机器人弹药装填手、机器人排雷车、火力支援机器人等。美军曾于2000年提出,到2015年将有1/3的地面作战车辆实现无人驾驶。“联合机器人计划”(JRP)和“战术移动机器人”(TMR) 是其主要研究的内容,目前已取得很大成果。英国现装备的机器人车辆主要有“土拨”和“野牛”机器人、“手推车”爆炸物处理车、“独眼巨人”Mk3轻型通用机器人、“哈德润“爆炸物处理机器人、”搜索者“排爆机器人、RAVEN爆炸物销毁机器人等。目前主要研
10、究项目有:“未来工程坦克”(FET)、“小猎犬”战斗工程牵引车、“地雷探测、标识和处理计划”(MINDER)。法国现装备的机器人平台有:SAEMC800爆炸物探测机器人、RM35机器人、TSR200机器人、Minirob微型爆炸物处理机器人(可在机场及舰船的狭窄过道中使用)等。在研项目主要有:“自主式快速运动侦察车”(DARDS)、SYRANO战场侦察机器人。德国智能机器人研究和应用在世界上处于领先地位。现装备的主要车型以扫雷和爆炸物处理机器人为主,如“清道夫”2000扫雷车、“犀牛”扫雷车、Rode爆炸物处理机器人、MV4系列机器人、GARANT-3多用途机器人等。目前实施的最重要无人地面车
11、辆项目是1985年启动的“智能机动无人系统大纲”(PRIMUS),其主要目标是为半自主无人车辆开发和集成先进技术,使用的试验平台是数字化“鼬鼠”2装甲车。除上述国家外,其他国家也在开展地面无人作战平台的研制工作,如加拿大的“改进型地雷探测计划”、意大利、法国和西班牙联合开展的“先进移动机器人”项目、瑞士的Pemex轮式地面无人平台项目、比利时的HUDEM项目、西班牙的“罗德”轮式地面无人平台以及俄罗斯的“越野车”-M3超轻型移动式机器人等。而近年来,由于反恐、反地道战以及城市巷战的需要,小型遥控地面武器机动平台的研制工作受到了美国军方的高度重视,在战术移动机器人计划TMR和联合机器人计划JRP
12、的支持下,该研究方向取得了突破性的进展,研制出一批小型无人地面武器机动平台,如iROBOT公司的Packbot,Foster-Miller公司的Solem、Talon等。目前,美国是无人武器机动平台发展规划最完备、技术水平最高、投入经费最多的国家,亦是军用无人车辆研制方面最积极,进展最快,技术发展最全面的国家。 图1-3“角斗士”战术履带无人平台 图1-4 国产履带无人平台加装81式步枪1.2.2国内履带无人平台发展及其现状目前国外的遥控无人车辆技术已趋于成熟,而我国在80年代末才开始无人机动平台的研究,加上我国的传感技术、导航定位、自动控制等关键技术还是远远落后于先进国家的水平,这大大制约了
13、我国无人机动平台的发展速度。目针对国内危险行业与部门实际需求,在国家863计划的大力扶持下,也取得了一批不小的成果。像吉林大学的JLUIV-3、JLUIV-4,清华大学的THMR-V,上海消防所的“消防机器人”,广东卫富机器人公司的“防爆机器人”。某些技术上也已达到了世界先进水平。我国基于视觉导航的地面智能机器人在实验场的自主行驶速度最高达到了90km/hr,视觉导航等技术有所突破。但整体研究水平进展不大,在一定程度上得益于计算机等硬件设备的改善,但是由于某些关键技术无法突破,以及一些研究仍处于空白期,对这方面的了解有相当部分停留在文献上,无人地面武器机动平台的传感器、导航定位、控制及本体设计
14、等关键技术方面的研发远远落后于先进国家,严重制约了国内无人地面武器机动平台的发展步伐。小型无人地面武器机动平台在机动性、越野性等方面与有人车辆有很大的不同,国外在这方面做了较深入的研究,但国内尚未开展这方面的研究。所以我国的无人机动平台研究仍有很长的路要走。图1-5 我国正在测试的某型号小型无人履带平台中国兵器工业集团公司下属中国北方车辆研究所成立兵器地面无人平台研发中心。其主要任务是开发军民用无人车辆和相关装备。这是中国目前规格最高的无人地面车辆研发机构。无人地面车辆是近年来各国军方研制和装备的重要装备。 图1.6“龙卫士 X3B”反恐履带无人平台图1.6所示是由上海广茂达伙伴机器人有限公司
15、研制的“龙卫士Dragon Guard X3B反恐机器人”,是我国第一台单兵反恐机器人。机器人重5Okg,行驶速度为0-1 m/s,可以通过27楼梯、30斜坡,可以跨越20cm高的障碍物,可在草地、沙地、碎石地、雪地运行,适应全天候、全地形,展开迅速、操作方便,广泛用于爆炸物处理、侦察、特种作业等反恐领域,综合指标接近国际水平。根据我国的现有国情,小型无人地面机动平台的研究以实际应用为主要研究方向,当前对小型无人地面机动平台的研究与应用大多是基于远程遥控操作或者监控为前提下的平台自主行进。随着科技的发展,实现完全意义下的自主行进已经成为小型无人机动平台的未来目标,因此,为了减少我国与发达国家之
16、间的差距,乃至在未来战争中能够保持与发达国家之间的武器平衡,研究小型无人机动平台的路径规划技术具有重大的战略意义。2 履带无人平台研究目的虽然当下无人地面车辆的发展和使用已经涉及多个领域,甚至有统计称可执行任务已有百余项,但因自主化程度较低,无人地面车辆的发展还不足以取代有人地面车辆。目前各国选择的基本上都是一条遥控无人地面武器机动平台与自主无人地面武器机动平台相结合的发展道路,实力较强的国家都制定自己的近期和长期计划,同时开展遥控及自主无人地面武器机动平台的研制工作,不断地将自主无人武器地面机动平台研制的成果用于小型遥控无人地面武器机动平台,以促进小型遥控无人地面武器机动平台的实用化,而小型
17、遥控无人地面武器机动平台的应用反过来又促进自主无人地面武器机动平台的发展。美国等一些发达国家在小型遥控无人地面武器机动平台的研制中取得了突破性的进展,在一些危险环境作业中已经得到实际应用,部分小型遥控无人地面武器机动平台已经装备部队用于战场。对小型无人地面武器机动平台自主性的挑战来自要求完成的任务和高度非结构化与变化的环境。野外环境中,要求小型无人地面武器机动平台完全自主地完成任务,目前还有一定的困难。2.1履带无人平台发展当下,各国地面无人车辆的研发上,主要就是力图完善其自主化水平。具备更高自主化水平的地面无人车辆成为具有复杂结构和多种功能,能够在危险地域执行任务和直接作战的机动平台。虽说目
18、前地面无人平台在自主化和联合协同作战方面的发展仍存有众多技术难题,比如说自主行驶操作、高速环境感知、不规整路的通过、信息化通信网络、人机交互等诸多技术难题。但随着人工智能、计算机技术、微电子技术和新材料技术的进一步发展,地面无人车辆必将对社会经济和生产力的发展产生更加深远的影响,在未来战争中小型无人地面武器机动平台将发挥重要作用。一段时间内来看,未来的地面无人车辆的发展将:小型化,通过小型化的地面无人车辆来成熟性能、验证技术,再实用化的小型地面无人车辆向中型、大型自由发展;战斗武装化,地面无人车辆已经脱离了侦察、运输等作战保障的概念,战斗化已成必然的趋势,也是终极目标之一;通用化,依据标准化、
19、系列化、通用化的思路发展无人装备,能提高无人装备和其它装备之间零部件互换和信息互通能力,降低成本,加快研制进度。无人地面车辆是随着不断增长的减少人员伤亡需求而产生的,因此世界各国立足本国需求,发展了形形色色的无人地面车辆。随着新材料技术和纳米技术的发展,无人地面车辆的小型化将有新的突破,采用隐身技术提高生存能力,是无人地面车辆发展的重要方向;依靠自身的人工智能来完成预定的动作和任务,采用许多先进而可靠的传感器和高速计算机系统的高自主性无人地面武器机动平台必须具有高度的自适应能力和学习能力。目前远程操作的半自主(监控自主式)小型无人地面武器机动平台是一段时期内的发展方向。采用商业现货技术和开放式
20、系统,即采用最新的商业器件、“开放”型的系统硬件和软件,使无人地面武器机动平台能更好更快地利用快速发展变化的工业技术,并可减少国防预算、研制和生产时间。近年来,电动汽车技术有了较大的进展,电动汽车技术应用于小型无人地面武器机动平台也是必然趋势。图2-1 “利爪1型”无人作战平台由于无人地面武器机动平台在军事和民用上的巨大作用,世界发达国家多年来进行广泛深入的研究,取得了较为成熟的研究成果,研制出的无人地面武器机动平台在军事和民用方面得到了一定的应用,部分成果已实用化和产品化。而通过国产120公斤级的“利爪”1型履带式小型平台,我们看到了成熟的小型化、武装化,通过1000公斤级的“利爪”2型66
21、轮式平台,能看到平台的通用化发展。不过,虽说在地面无人车辆这个领域,我们已经在路上,在开展这积极务实的研发工作,但从地面无人车的作战任务需求论证、关键技术的研究、样机的研制和试验,我国仍是要有很长的路要踏踏实实的一步步走。无人地面平台(亦称“机器人”)是一种能够受控或自主完成复杂地形机动、辅助或取代作战人员完成特定作战/保障任务的无人地面机动平台,是信息技术与工业技术高度复合发展的产物,是人类传统作战行动在陆战场上的扩展二无人地面车辆在未爆弹药处理、简易爆炸装置探测、预警侦察、安全巡逻、战场救护、探扫雷、城区辅助作战和后勤保障等很多战术作战领域发挥了重要作用。而无人车底盘的作用是支承、安装发动
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