小车在坡度为 坡道上行驶时,坡度阻力为
(2.8)
但本课题研究中,只研究小车在水平路面上的运动模型,并不考虑坡度.故 =0。
综上所述,智能小车受到的行驶阻力之和为 (2.9)
2.3.2 小车的动力供应
由于在上文提到的直流电动机的优点,所以本文小车的动力是由永磁直流电动机所提供。
直流电动机的机械特性方程式为 (2.10)
式中, 为电机转速,单位为r/min, 为电枢端的输入电压, 为电枢绕组电阻, 为串入电枢回路的调节电阻, 为电枢电流, 为电动势常数, 为转矩常数, 为电磁转矩, 为每极磁通量,忽略电枢反应影响,则 为常数。
设 为机械转矩输出, 为空载转矩。忽略机组轴系转动惯量,则 ,代入式(2.10)可得
设 为驱动力, 为施加于驱动轮的力臂。则有
(2.12)
将 乘以电机角速度 ,得到电机的输出机械功率
(2.13)
将式(2.11)、式(2.12)代入式(2.13)可得
(2.14)
当电机的输入电压为7.2V时,其主要参数如表2.2所示。
表2.2 =7.2V时电机的主要参数
无负荷 最大效率(64.6%) 最大功率(26.68W) 停止
电流 转速 电流 转速 转矩 电流 转速 转矩 电流 转矩
A rpm A rpm g.cm A rpm g.cm A g.cm
0.49 15300 2.85 13100 99 8.61 7650 340 16.72 680
从上表可看出,电压一定时,转矩随电流增大而增大,转速随电流增大而减小。电机功率则与转矩和转速之积成正比。
小车使用的RS380-ST电动机通过改变其电枢端电压 进行调速。控制电机的PWM信号的周期为100ms,在单片机中控制PWM周期的寄存器PWMPER=200,设控制PWM占空比的寄存器PWMDTY的值随时间变化的函数为 ,电池电压为 ,则
则式(2.20)可简化为 (2.21)
式(2.21)即为电机模型,其中 为常数,只和电机自身特性有关; 和电池电压 成正比, 不变时 也为常数; 代表小车在直线行驶时受到的阻力之和(主要是滚动摩擦力),在路面情况不变时 为常量; 代表由于转弯而增加的滚动阻力 ,随前轮偏角 的改变而改变。
2.4 小车运动学模型
由于四轮模型的研究较复杂,不便于计算,因此本文对小车转向和驱动性能的两轮模型进行了研究。
图2.2 小车平面运动示意图[24]
图2.2为小车在平面上运动的示意图,并假定小车车轮做无滑动的纯滚动运动。图中,F和M分别为小车的前轮轴心和后轮轴心,两轴心F和M之间的距离为 。P为小车上任意点,P到M的距离为 ,PM与小车中轴线的夹角为 。前轮轮面平行轴线与小车中轴线的夹角(即前轮偏角)为 ,小车中轴线与X轴的夹角为 。 Simulink四轮驱动小车的数学建模及仿真(5):http://www.751com.cn/jisuanji/lunwen_2155.html