Maxwell2D无人驾驶机器人用直线电机建模与仿真研究(5)
计了200mm 与240mm 行程两种行程的永磁动圈式直线直流电机，本论文根据圆筒型永
磁动圈式直线直流电机的工作原理与结构特点，采用了有限元方法对圆筒型永磁动圈
式直线电机进行了瞬态仿真分析并且建立了电机位移场与电磁场的耦合模型，本论文
的主要工作如下：
第一章是绪论。对直线电机的特点，国内外的发展历史、国内外的研究现状。
第二章讲了无人驾驶机器人的永磁动圈式直线直流电机的基本结构、基本原理以
及永磁直线电机的永磁材料的选择，最后描述了直线直流电机的数学模型。
第三章主要是有限元方法的介绍和有限元仿真软件 Ansoft的介绍。 首先比较了数
值计算方法相比于解析方法的优点，然后介绍了有限元方法的原理及采用有限元方法
计算的步骤，最后讲了 Ansoft Maxwell 2D的特点和优点，以及采用该软件分析直线
电机的分析步骤。
第四章是圆筒型永磁动圈时直线直流电机的尺寸及仿真验证。探讨了电机主要尺
寸的计算，并且结合有限元仿真软件最终确定了电机的结构尺寸，然后在此基础上进
行了电机的仿真分析，并且建立了位移场和电磁场的耦合关系，探讨了电机线圈匝数
对速度响应的定量关系。
第五章是结论。
1.6 本章小结
本章首先介绍了本课题的研究背景及其意义，然后简要叙述了无人驾驶机器人在
国内外的研究现状、直线电机的发展以及直线电机在国内外的研究现状。最后简要列
出了本文所做的主要工作。
2 无人驾驶机器人的系统构成及其驱动电机
2.1 无人驾驶机器人的系统构成及其关键技术
驾驶机器人在不改造试验车辆的基础上代替试验人员驾驶汽车，按照预先设定的
各种速度－时间循环行驶工况的要求进行汽车试验，完成汽车油门、制动、离合器、
换档机械手的协调配合动作。驾驶机器人是一个很复杂的系统，主要由以下部分构成：
换档机械手、油门机械腿、制动机械腿、离合器机械腿、计算机控制系统、伺服驱动
系统等。无人驾驶机器人的系统构成如图 2-1 所示。
图 2-1 无人驾驶机器人的系统构成
主控计算机接收各执行机构的当前位置、车速与发动机转速等信息，然后根据所
得到的输入数据与预先输入至存储器中的数据，计算并实时地输出执行机构指令信号。
各执行机构的伺服控制可采用气压驱动、电动驱动或气电混合驱动的方式，伺服控制
单元接收主控制单元信号后驱动步进电机或气缸腔室上的进排气电磁阀，实现对步进
电机或气缸位置的控制。汽车驾驶机器人俯视及侧视图如图 2-2所示。其中，换档机
械手设计为7连杆2 自由度机构，采用2个关节角位移传感器反馈移动信息。
(b) 侧视图
1.交流伺服电机 2.减速机 3.转向盘 4.底座 5.座椅 6.换挡机械手 7.离合器机械腿 8.
离合器踏板 9.制动器 10.制动踏板 11.油门机械腿 12.油门踏板
图2-2 驾驶机器人俯视及侧视图
应当指出，虽然驾驶机器人的研究已经取得了相当的进展,但目前世界各国研制的
驾驶机器人在不同程度上都存在适应和抗干扰能力有限、智能化有待提高等问题,此
外,在运动控制的精度、协调和性能优化方面都需要进一步开展研究工作。
针对上述不足,结合 G.N.Saridis 等人提出的分层递阶智能控制理论,这里给出了
一种驾驶机器人操作车辆进行性能试验的分层递阶控制结构，如图2-3 所示。