便携履带式救援平台的行驶动力学研究

刘存山， 何锦旺， 叶朗熙， 黄伟松

（东莞职业技术学院,广东东莞523808）

0 引言

我国是世界上地震伤亡人数最多的国家之一，国内很多人都怀有恐震心理，甚至谈震色变。在类似地震等自然灾害发生后，最重要的是搜救工作，搜救越及时，获救的希望就越大。据有关资料显示，灾害发生后20 min内获救的存活率达98%以上，而发生1 h后获救的存活率下降到63%[1-2]，由此可知，灾后搜救设备在灾后救援中的作用有多重要。在灾害发生后，救援人员要想尽快发现被困人员，必须借助先进的仪器设备。市面上的搜救设备多数为被动型设备。在自然灾害发生后的复杂环境中，这些设备具有一定的局限性，为此本项目研发了此便携履带式救援平台。

1 系统架构设计

履带式救援平台系统架构如图1所示，由手机控制端和履带式救援平台端两部分组成，救援平台端同样具有4G无线通信功能。履带式救援平台端主要由动力传动机构、传感器、执行器和控制通信系统5部分组成。动力传动机构负责救援平台的电源、动力传动与行走功能。控制系统由环境监测、视频显示、救援机构、通信传输等组成。环境感知是救援平台根据当前地理的气候和环境参数所获，主要测量的参数有气体成分（一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氧气、甲烷）、温度和湿度等[3]。

救援机构是本项目设计用于清障，做出一些能尽快解救被困者的动作（如切断电源、打开水阀或破锁、破门等命令）等功能的机构。通信系统实现救援平台与手机监控端的实时可靠通信，将环境信息传回到手机监控端。同时，也可将手机监控端上的控制指令发送到救援平台。视频显示系统是手机APP和救援平台的实现人机交互的主界面[4-5]。

履带底盘平台是移动救援平台所有部件的载体和安装平台，由履带、轮系、轴承以及传动部件组成。电源使用能效较高的三元锂离子动力电池，动力传统系统采用电磁离合器控制驱动链轮电动机的形式，由控制系统控制救援平台的进退和速度，相关参数的匹配由计算所得。

手机APP端的界面由3个窗口组成，主窗口用来显示救援平台行动轨迹的视频；上面窗口显示救援平台所处环境的传感器参数；下面窗口具有手动操作按钮用来控制救援平台执行相关动作。

2 救援平台行驶动力学分析

履带式救援平台首要解决的问题是平台的驱动和行驶控制功能，能达到在平直路面上以最大速度行驶,能在最大为60%坡度上行驶，同时满足上述路况要求下的各种工况的转速与转矩要求[6-9]。本项目研究一种通过对2个电磁离合器分别控制，由履带驱动链轮、无刷直流电动机和履带机构组成模块化的履带单元。救援平台的行驶动力学分析如下。

2.1 内部行驶阻力

履带式救援平台的行驶阻力由2部分组成：一部分是行驶机构各摩擦副相互摩擦产生的内部行驶阻力；另一部分是救援平台行驶时在前方堆土形成的外部阻力。

履带式救援平台的内部行驶阻力换算成驱动轮上的摩擦总阻力矩M，又分为M1和M2两组。第一组摩擦阻力矩M1由履带驱动段中的附加张紧力所引起，它与驱动转矩MK成正比。第二组摩擦阻力矩M2由履带中的预加张紧力和车辆质量引起，等效外部阻力为M2/rK，记为Ff2。

图1 履带式救援平台系统架构

履带式救援平台的外部阻力，运用功能转换的方法计算，当履带式救援平台前进L距离时，履带消耗的功为W，如图2所示[10]。

式中：b为履带宽度；p为履带支承段单位面积上承受的压力，是z的函数；z0为轨辙深度。

因此，履带式救援平台行驶时的外部阻力Ff1可表示为

采用贝克压力沉陷公式，将参数代入上式并积分得:

因为堆土单位面积上所承受的压力（即履带接地比压）为p=Gs/（2bL0），L0为履带接地长度，所以有[11-12]：

式中：Kc为考虑到履带板上凸起的影响系数；Kc=1.25～1.30；Gs为支重轮上作用的重力。

图2 履带式救援平台推压土地

2.2 滚动阻力计算

当履带式救援平台空载低速行驶时履带驱动段内的附加张紧力极小。因此Ff实际上相当于空载低速行驶时的滚动阻力。根据经验公式，滚动阻力Ff近似与机重成正比。因此Ff常常用滚动阻力系数与机重的乘积来表示[13]：

式中：f为滚动阻力系数；Gs为机械使用质量。

滚动阻力Ff是车辆前进必须克服的等效外部阻力，只有等效牵引力大于滚动阻力时，车辆才能向前行驶。因此，FK≥Ff是车辆运动的必要条件。而FK中扣除Ff后剩余部分代表车辆水平等速行驶时，履带式救援平台（牵引元件）所输出的总推力，通常称为有效牵引力FKP。这样，履带式救援平台作水平等速运动时有效牵引力可由下式表示：

履带驱动区段在驱动轮驱动力矩Mt的作用下产生张力F。由于摩擦损耗，驱动轮通过履带驱动段作用于履带支承区段的拉力为F′=Fημk，ημk为履带的驱动效率[14]。因此，履带式救援平台与地面相互作用产生的驱动力为

履带的驱动效率一般为0.93～0.96，可用下式进行计算：

2.3 牵引力计算

履带式救援平台的运动是由履带与地面的相互作用产生的，其驱动力Fi与地面附着性质相关，最大值受地面附着力影响。履带式救援平台的牵引力用Fkp表示，是驱动力克服滚动阻力后的推力。将车辆作为一个整体来考察，作用在履带式救援平台上的各种阻力应与牵引力相平衡，亦即

式中：ΣF为各种阻力的总和；FK为切线牵引力。

其实质是驱动轮在驱动转矩作用下带动履带转动，地面阻止其运动产生了土体对履带的反作用力。行驶在坚实路面上时，牵引力主要由履带和路面的摩擦产生。行驶在松软地面上时，牵引力主要是履带作用下土体剪切变形所产生的土的推力。

式中：A为履带接地面积，A=2bL。

3 动力传动机构的功率匹配

直流电动机是驱动履带式救援平台两侧主动轮的动力部件，它的直线和转向行驶全部要依赖电动机及其控制器，所以合理匹配系统参数非常重要。

电动机的额定功率Pe，额定转矩Te、最大转矩Temax都必须大于救援平台所需的功率P，转矩T，最大转矩

式中，vmax为救援平台最大行驶速度，

式中：r为主动轮半径，m，取0.06 m；i为传动比，取1；nmax为救援平台的最大行驶速度对应的电动机转速，r/min；ηch为电动机效率。

电动机额定转矩Tt、最大转矩Tmax分别由下式计算：

式中：Pt为电动机额定功率，kW；nt为电动机额定转速，r/min。

4 结论

本文针对在灾后复杂的救援环境中，多数被动型搜救设备的局限性，研究了一种便携履带式救援平台。通过对该平台行驶动力学的分析计算以及动力系统参数的匹配优化，使其能满足救援任务的需求；该设备不但灵巧便携，而且行动敏捷，还拥有一定的智能，能做相对复杂的营救动作。本项目的研究可为今后的进一步研究打下基础和积累经验，同时也为人们在机电创新设计方面提供一定的思路。