袁汉江
上海东普信息科技有限公司 上海 201700
[摘要] 本文简介了物流无人车发展的时代背景；提到了应用目标场景对无人车底盘结构设计的影响，并通过比较几种常见的无人车底盘，浅析不同类型底盘的优缺点；说明了选择其中一种非独立悬挂式阿克曼底盘作为研发方向的理由，介绍了研发该底盘的大致流程及注意事项，并给出一种借助软件实现前转向机构优化设计的具体方法。
关键词：物流、无人车、阿克曼底盘
一、前言
当下物流行业已紧随交通、信息业脚步，成为国民生活中必不可少的一环，在满足居民生活方面起着越来越重要的作用。过去国内适龄劳动者充足，快递利润丰厚，网点提供薪资对应聘人员具有很大吸引力，能通过选拔人才保障优质服务；近年来随着人口红利渐渐消失，雇佣成本涨幅较大，而快递行业竞争激烈，利润透明化，网点毛利润没有明显上涨，必然减少长期岗位，只能将有限的人力资源投入到附加值更高的长途货运和物料分拣上，利润微薄投诉较多的最后1公里派送工作目前是摊派到其他岗位的，但从业职工普遍有抵触情绪。幸运的是随着科技的发展，在不远的将来这项派送工作可以交给物流无人车来完成。 [1]
二、底盘类型设计方向选择
物流无人车若要完成派送，必须让行走机构（底盘系统）在特定的环境（道路场景）中正常工作；其中底盘与许投货物大小息息相关，小的底盘不可能运送特大的货物；然而另一方面，特定道路场景又会反过来限制底盘尺寸，大的底盘容易造成拥堵；同时底盘必须适应道路状况，否则出现故障一样会造成投递效率下降，货物积压，引发投诉。因此设计无人车底盘时，必须经过调研，分析资料、对应用场景有一个大致的了解，再选择方向，借鉴前人成果展开研发设计。
立项后，我们参观各大展会收集资料将市面上多种无人车底盘与其应用场景相关联，经整理按结构划分为4类：
1.独立悬挂式阿克曼底盘，这类底盘对行驶路面要求低，货物承载量大，采用方向机转向，受采购件尺寸限制车身宽度一般超过850mm；受力条件最好，高速性能优越，行驶平稳，机动性好；但传动链长，零部件精细，数量多，结构复杂，维护成本较高。控制、调校需要花费大量的人力物力才能达到满意要求，技术成熟后可移植到汽车底盘低速场景中，实现业务跨界。
2.非独立悬挂式阿克曼底盘，这类底盘对行驶路面要求不高，承载能力不输独立悬挂式阿克曼底盘，转向方式可以采用摆臂连杆和方向机两种手段，若使用摆臂转向车身宽度可压缩到680mm(由后驱桥整体长度决定)，采用方向机转向车身宽度可做到780mm~800mm之间(这样做是为了使用宽度480mm 行程9cm的方向机替换宽度380mm 行程6cm的方向机，起到增加转向轮最大转向角度减少转弯半径的效果，480mm方向机+传动连杆+转向节和车轮宽度，整体尺寸在780~800mm之间)。受力状况尚可，高速性能，颠簸路面不如独立悬挂式，但在低速场合（25km/h以下）城市路面，两者相仿，并且有利于简化成多个独立组件，结构简单，皮实耐造，每个部件都方便增加额外的裕度进行健壮设计，爬坡越障性能好，窄道通过性能优，可直接采购电动三轮车成熟部件，往相关行业已有标准上靠拢，对维护人员、维修设备要求不高。控制难度较高，但比独立悬挂式阿克曼底盘容易，若非全闭环控制达到理想精度要经过大量的测试校准（全闭环控制可以先满足控制精度要求，再通过数据调校，逐步满足速度及平稳性要求）[2]。
3.四轮差速底盘，这类底盘对行驶路面无特殊要求，可用于外路况，有一定的越障碍能力，转向通过两侧轮速差克服扭转摩擦阻力矩实现，工业应用使用伺服电机或直流无刷电机反复调校，实验室产品部分使用步进电机，能够原地旋转，但在所有底盘中受力条件最差，对整体结构有额外的刚强度要求，因此有极限重量限制（整车整备质量通常不得超过160kg），前后轮距离短以减小摩擦阻力臂，多用于良好路面轻载场合。因为行驶转向不要求同侧轮速度差，为节约成本有同步带传动、螺旋伞齿轮传动等机械方式，或共用控制器电控方式；磨损现象原理上无法回避，采用电瓶车中缝轮后能降低维护成本，但需要维护频次最高。控制精度高、调校相对容易，实现控制花费时间少[3]。
4.两轮差速底盘，这类底盘运动时相对四轮差速底盘无附加力矩但对行驶路面要求苛刻，几乎不具备越障自脱困能力，常见于厂房内、楼道等室内场景，行驶路面需磨平，不平整会引起断轴、瘫痪、转向失灵等后果（如今伺服电机驱动轮模块可以直接购买适当缓和断轴风险，但其他问题没有根本解决）。前后配有辅轮起稳定支撑作用，将竖直方向纵向截面做成圆形后，几乎无旋转碰撞风险，适合在人群中穿梭，有旅馆、商业区应用。控制技术已完全成熟，有大量的文献代码可参考。行动准确，定位精度高[4]。
结合研发目的展开产品应用场景需求分析——最后1公里无人派送：园区（外路况），步行人员密度高，安全考虑限速在20km/h以下，且道路较窄，应重点避免拥堵；同时外路况行驶会有少量颠簸，会遇到一些突起凹陷，底盘应有一定的自脱困能力以减少人工干预，完成派送任务；产品制造、维护成本要低，方便快速推广，占据实用市场。综合考虑、组织讨论后，在上述4种底盘中选择非独立悬挂式阿克曼底盘作为设计方向。
三、借鉴工艺设计
为了加快研发进度减少待解决工艺问题，我们借鉴市面上行驶场景最为接近的四轮低速电动车底盘的一些细节处理方法。
选择1家品牌公司产品（口碑和工艺有一定保证），将坐垫与其它附加功能部件做拆除处理后，显露出底板受力结构，发现其底板结构主要为圆管，为加工方便管件成相互垂直布置，重心负载集中部位通过增加横管密度提高结构强度，后桥设有大圆弧折弯结构（非直臂）缓解结构脆性，增强抵抗冲击和疲劳断裂的能力（即使在超限载荷下发生破坏，屈曲破坏的机率大于断裂破坏的机率，仍然具有一定的可控性，能够降低恶性事故发生概率）；后桥与主体间有弹簧缓冲吸收地面直接冲击，那么一些变载荷必然转移到底板与后桥铰链连接处此处需要加强；厂家在管件侧面和底部辅以铁片满焊补强，这样做不需使用过粗的钢管，即降低了重量又保证了强度；拆开铰接内部看到有双圆柱对插结构，套在橡皮杯内，在崎岖路面前进时能吸收能量、抑制冲击起到缓冲作用，减少刚性结构发生塑性变形的机率。此外，所有管件端口下部设有防水槽，方便电泳，排除积水，避免锈蚀。
结合我们多位专业技术人员的分析，发现所有工艺相对简单，一般百余人的加工厂，均可承接工作，这为我们后续的底盘开发设计工作树立了信心，同时还发现了一些可具改进的地方。我们对其结构进行变形，将转向换成380kg/cm舵机，取消底盘骨架前端突起，使得前端后端高度在同一水平面上，便于安装派件箱体，开发的底盘如图1所示。
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图1 吸收4轮低速电动车经验后设计的平板底盘
四、转向问题优化
但是四轮低速电动车厂家因为技术瓶颈并没有对转向问题进行优化，我们在手动驾驶测试时有明显感觉——转向时平动滑移大，操控转向时需要不断校准方向，转向费力；究其原因是内外侧转弯半径同心度偏差没有控制，当然低速电动车每天时长不超过2小时场景下，驾驶方向可以通过肉眼反馈做出调整，轮胎磨损有限，这个问题基本可以忽略，但要应用到无人车物流投递，每天工作6小时以上，不予解决，轮胎会很快磨损至失效；而且过大的两侧转弯半径同心度偏差，还会造成的更多的转向不确定性，必将占用更多的计算资源，增加耗电，对工控机配置提出了更高的要求拉高成本；同时机构修正运动方向做出的反复补偿运动也也会造成抖动，引起应力波动，降低机架疲劳耐久度，不但造成性能下降，还会提升造价引起推广困难。为此我们要把内外侧转弯半径同心度偏差降下来，至少达到可以接受的范围之内。
事实上，4轮车转向问题及其解决方案，在汽车底盘设计论述资料中，有清晰的描叙。查阅汽车底盘设计资料找到转向梯形有关资料，通过作图理清车辆通常情况下各个转向部件之间的关系，结合我们的设计方向非独立悬挂式阿克曼底盘，对应转向梯形为整体式，作出其几何关系，如图2 所示。
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图2 整体式转向梯形
1—转向横拉杆 2—转向梯形臂 3—前轴
由图可见，结构简单的整体式转向梯形的梯形臂呈向后延伸的收缩状，制造成本低；虽然一侧转向轮跳动会影响另一侧。但我们的应用场景中，城市交通最后1公里物流派送时，出现机会不超过5次，而且最后1公里派送是和步行者活动区域高度重合的，派送速度限定在15km/h以下，不会发生剧烈跳动，此影响可以忽略。
观察图2，注意到前置梯形臂必须向前外侧方向延伸一定占用空间，且布置在内轮毂位置之后，应尽量选择厚度较薄的内轮毂以减短阻力臂长度，同时回避连杆机构指向死角，提高方向机响应速度，并提高底盘负载转向瓶颈。选定内轮毂，按业内常见快递箱长度布置后桥后，我们令L=880mm, K=401.32mm, m=55mm的数据，优化问题简化为梯形底角即为最佳取值问题，期望外侧轮以任意自变角转向时，内侧轮转弯中心与外侧轮转弯中心偏差总体最小。
为此我们补充绘制图3，理清车轮转向时，主要参与部件的几何关系变化。
因轮胎存在弹性，车辆转向行驶时，有侧偏角影响，但对低速行驶时的影响有限，故对此项影响忽略不计，故我们设计时仅考虑车辆双轴转向。如图3所示，两转向前轮轴线的延长线应交在后轴延长线上。
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图4梯形底角和判定值及因变角之间的关系
至此我们已通过量化设计改善了转向同心问题。
五 应用调试场景需求改进
此后我们使用一个类似的底盘进行测试，硬件工程师建议将电器元件半封闭集成到无人车底盘上去，做为一个完整模块，提高防水防尘效果。我们将平板底盘堆高，形成3个腔体，外形尺寸仅略为增加，但内部容积增加明显，可存放内置式角度传感器、单片机、控制稳压模块，三元/磷酸铁锂电池，并容许携带一定工具用于调试维护，改动后设计如图5所示。
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图5 更改设计后自带箱柜的无人底盘
无人车底盘机械部分功能设计业已完成，再考虑安全性问题。
考虑到运动物体对行人的威胁主要来自重量和速度两个方面，降低速度必然影响投递效率，只能从减少重量入手，并通过结构设计保证原有刚性强度。根据载荷，阿克曼底盘几乎不承受水平扭力，结构骨架应选用矩形截面型材立式布置，增强车体抵抗垂直弯曲的能力适应高负载要求，连接处使用三角板满焊加强，减少应力集中。并在车身中段设置斜撑支架取代中部多条横置骨架，保持抵抗横向弯曲的能力，重构后整体框架结构见图6所示。
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图6 无人底盘减重框架结构
之后委托外协加工生产底盘，考虑到底盘调试时难免发生碰撞，在车头设立防撞机构，使用屈服强度低于主体框架的钢材焊接，并钻孔销弱，碰撞时通过破坏变形吸收能量，保护车体主要结构和内置昂贵电气免受损坏，成品如图7所示。
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图7 无人底盘成品
六 结束语
当下，物流无人车是一个重要发展方向，将来必然是一个研究热点。
设计时我们通过场景分析，选择适合自己的底盘类型方案，尽可能借鉴成熟产品工艺，以此缩短开发时间，并查阅有关理论资料，借助新型算力手段对产品进行改进，并在实际开发及运用中继续改进。本文作者希望以上建议能够给无人车底盘设计的工作者们提供一些有用的参考，起到抛砖引玉的作用。
参考文献:
[1]. 夏华夏 无人驾驶在末端物流配送中的应用和挑战［J］ 人工智能， 2018(06): P80．
[2]. 迟利君 货车的前后悬架结构研究与分析[J] 科技传播, 2014.04(上）:P89
[3]. 马存超 周奇勋 四轮独立驱动电动车电子差速系统研究 [D] 西安科技大学 2018年6月 P5
[4]. 周伟 曾宇航 一种ＡＧＶ系统的整体架构设计[J]计算机集成制造系统 ， 2020年2月 P403
[5]. 孙成玉，言梦林 汽车转向梯形机构最佳方案的设计[J]传动技术，2002（03）：30-32
作者简介;袁汉江 1983.04 男 汉族 安徽省芜湖市人 安徽工程大学 硕士研究生学历 机械设计及其自动化专业，在机械行业从业起至今14年，从事过维修及装配钳工工作，成为工程师后参与重型机械改型，民用机械国产化，及汽车零部件、整车开发，无人车机械部分研发工作，具备设计及结构分析能力。