AGV在减速过程中,由于减速度过大,或者重心过高,会产生抬头或者点头,严重会产生翻车的现象。
需要进行量化分析。
1. 考虑第一种情况:刚体平面运动
将AGV看成一个刚体,重心高度H,宽度2L,质量m。
刚体以速度v向右运动,受到的摩擦力f向左用以减速。
如下图。
当刚体减速即将发生倾倒时,存在一个临界状态:即刚体的支持力全部来自于右下角,
而下底面其他位置的支持力均为0。左下角的平面和底面处在接触但是没有受力的情况。
此时刚体数值方向受力为:
Ft = mg…………………………………… (1 - 1)
水平方向受力为:
f = ma ………………………………………(1 - 2)
受转矩
Ft x L + f x H = 0 …………………………(1 -3)
联立三式可得:
a = gL/H ……………………………………(1 - 4)
可以看到摩擦力所能提供的最大加速度为 (gL/H) 。
当L越大,即底盘越宽时,能够承受更大的加速度。
当H增加时,即重心升高时,能承受的加速度就减小,更容易倾倒。
2. 考虑第二种情况:万向轮与悬挂驱动轮
AGV重心高度H,万向轮支撑点离重心横向距离L1,驱动轮(带悬挂)支撑点离重心横向距离L2。
刚体以速度v向右运动,受到的摩擦力f向左用以减速。
如下图。
当刚体减速即将发生倾倒时,存在一个临界状态:即刚体的支持力全部来自于右侧万向轮,
而左侧万向轮支持力均为0。
带悬挂驱动轮对底面支持力为Ft2, 右下角万向轮对底面支持力为Ft1。
万向轮提供的横向摩擦力忽略,驱动轮抱死,提供向左的摩擦力f。
悬挂视为线性弹簧,刚度为K。
此时刚体数值方向受力为:
Ft1 + Ft2 = mg ……………………………………(2 - 1)
悬挂线性弹簧支持力:
Ft2 = Kx ……………………………………………(2 - 2)
水平方向受力为:
f = ma ………………………………………………(2 -3)
受转矩
Ft1 x L1 + Ft2 x L2 + f x H = 0 …………………(2 -4)
联立四式可以得到:
a = ((mg - Kx)L1 + KxL2) / (mH)…………………(2 - 5)
对于大部分车,可以视为驱动轮位于中心正下方,L2 -> 0。
则 (2 - 5) 化简为
a = (mg - Kx)L1/(mH) ………………………………(2 - 6)
当L1越大,即底盘越宽时,能够承受更大的加速度。
当H增加时,即重心升高时,能承受的加速度就减小,更容易倾倒。
当Kx越大,即悬挂预紧力越大时,承受的加速度也越小,车子更容易摇摆。
而考虑L2存在时,能承受的加速度还和悬挂轮离重心的水平位移有关,因此室外巡检车等车型需要另外考虑。
3. 考虑第三种情况:刚体倾倒
将AGV看成一个刚体,重心高度H1,宽度2L,质量m。
在第一帧下:
刚体向右运动,质心速度已减到v,此时下表面与地面已相对静止,左下角与地面接触但不受力,
即处于情况1中的状态。
在第二帧下:
刚体翻滚到临界点:质心达到最高点,质心水平方向速度见为0。
如下图:
可知:
Ek = Ep……………………………………………………( 3 - 1 )
0.5mv^2 = mg△H……………………………………( 3 - 2 )
即当第一帧的状态下所有的动能大于第二帧状态下质心的势能时,刚体将发生倾倒。
推广到AGV车身上:
在驱动轮纯滚动模型下,当驱动轮速度减为0时,质心仍存在速度v。
当 0.5mv^2 > mg△H 时,机器人会倾倒