多轴转向车辆的转向特性分析与多目标转角控制研究

发布时间：2020-08-21 02:22

【摘要】：随着经济的快速发展和军事的更高需求,多轴转向车辆在各个领域都得到了越来越多的应用。但是其尺寸过大和载重量过重的特点也导致这种车辆的低速灵活性和高速稳定性得不到可靠的保证,增加了对其控制的难度。车辆车轴数量的增加使得对车辆各轴的转向协调控制变得更加困难,不当的转角关系还将会加剧各轴轮胎的磨损程度。而合理有效的转角控制技术对改善以上问题能起到关键性的作用。围绕上述问题,本文以某六轴转向起重车辆为研究对象,对阿克曼转向关系下的转向特性展开深入研究。并进一步考虑多轴转向车辆转向形式的多样化,研究其非阿克曼转向关系时的转向特性和转角控制更有实际意义。因而,针对不同研究侧重点,文中提出了四种阿克曼等效转向模型。使多轴转向车辆的转向技术在任意转角关系下都能拥有统一的研究方法。最后采用面向模型跟踪控制的等效转向模型作为基础,提出了一种分层转向控制策略对车辆的各轴进行转角控制,并表现出了多目标最优的控制效果。本文主要开展了以下研究工作:首先,采用拉格朗日动力学建模方法推导建立了三自由度非线性多轴车辆模型。模型包括油气悬架子模型、轮胎子模型、公路行驶模式下的转向子模型。进行油气悬架建模时,本文采用试验结合曲线拟合的方式对其进行建模。利用高频往复振动模拟油气悬架的阻尼特性,低频往复振动模拟油气弹簧的刚度特性。这种试验性建模方法实用性强,且与真实系统的吻合度高。本文采用郭孔辉教授提出的Uni Tire半经验模型对轮胎的纯侧偏工况进行建模,并将其嵌入至整车模型中。文中针对公路转向模式建立了相应的转向模型。最后采用实车试验的方式对所建模型进行了验证。其次,本文对车辆的不同转向模式和各种转向模式所具有的特点进行了较详细的阐述。针对多轴车辆低速灵活性的问题,文中采用最小转向空间为优化目标的方法对车辆最小转弯半径进行了求解,优化量为各轴转角,限制条件为阿克曼转向关系下的各轴转角偏差不超过2°。按此方法,最终所得的最小转弯半径不超过6m,极大的提高了多轴车辆的低速转向灵活性。再次,结合所建立的二自由度线性车辆模型以及相应的推导结果,对车辆的稳态和瞬态转向特性进行了深入研究。文中提出了等效转向中心距和等效质心侧偏角系数的概念,并与所推导的等效轴距和等效稳定性系数一起作为车辆稳态横摆角速度和质心侧偏角的研究基础。通过选取不同的转向中心距对车辆转向特性的影响进行了定性的分析。同时为了更好的选择轮胎侧偏刚度,还以不同的轮胎侧偏刚度对车辆转向特性的影响做了定性分析。最后文中从频域、复域和时域的角度对车辆的瞬态转向特性进行分析研究。同样,也选取不同的转向中心距对多轴转向车辆的各瞬态转向特性参数进行了对比分析。然后,考虑到多轴转向车辆的大部分转向模式都是非阿克曼转向关系,为了进一步研究非阿克曼转角关系下的多轴转向特性的统一表征方法。文中提出了四种阿克曼等效转向模型,分别是针对横摆率控制的“横摆等效模型”(第一种阿克曼等效转向模型)、质心侧偏角控制的“侧偏等效模型”(第二种阿克曼等效转向模型)、理想模型跟踪控制的“横摆—侧偏等效模型”(第三种阿克曼等效转向模型)、适用于转向特性分析的“横摆—侧偏二元等效模型”(第四种阿克曼等效转向模型)。前三种阿克曼等效转向模型属于一元等效,计算方便,精度稍低,但在控制的上层决策中使用可以达到精度和计算效率兼顾的效果。第四种阿克曼等效转向模型属于二元等效,计算偏复杂,精度很高,用于对非阿克曼转向关系下的转向特性分析将会得到较精确的分析结果。最后,为了说明所提出的四种阿克曼等效转向模型的有效性,分别从时域、复域、频域的角度对其做了详细的论述。结果表明,所提出的四种阿克曼等效转向模型具有较高的可靠性,可作为非阿克曼转角关系下的多轴转向技术的理论研究基础。最后,由于车辆的横摆角速度和质心侧偏角都需进行控制,又兼顾计算效率和精度,本文选取第三种“横摆—侧偏等效模型”作为控制策略的理论基础,设计一种包含三层控制的转角控制器。根据理想车辆模型和目标车辆模型对上层控制进行设计。根据轮胎均匀化磨损对各轴侧偏角的要求,再结合上层控制的框架,即可分配下层的各轴转角量。最后通过微调控制层对各轴转角进行微调,即以牺牲最小的各轴轮胎侧偏角的均匀性来换取目标车辆最好的跟踪理想车辆状态参数的目的,从而达到车辆的操稳性能和轮胎磨损性能的最优控制效果。结果表明,本文所提出的MOC控制策略不仅提升了多轴转向车辆的低速灵活性和高速稳定性,并对减轻各轴轮胎磨损起到了很好的控制效果。本文主要创新点如下:(1)建立了多轴转向车辆的非线性三自由度动力学数学整车模型。其中的悬架模型采用试验曲线拟合的方式建立,并分别以高频和低频模拟油气弹簧阻尼和刚度特性。以此整车模型为基础,进行多轴转向车辆的多目标转角控制研究;(2)提出了等效转向中心距和等效质心侧偏角系数的概念,结合等效轴距和等效稳定性系数,统一表达多轴转向车辆的稳态转向特性。并且这一概念的提出也让瞬时转向中心距有了更标准的表达形式和更明确的物理意义;(3)提出了四种阿克曼等效转向模型。可根据具体的控制需要选择前三种一元等效模型中的一种来使用,而精度较高的第四种二元等效模型更适合用于对多轴转向车辆的转向特性分析中;(4)基于第三种阿克曼等效转向模型理论,提出了适合于以多轴转向车辆操稳和轮胎磨损为多控制目标的分层转角控制策略。并使该多轴转向车辆达到多目标转角最优控制效果。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463.4
【图文】：

特殊功能,多轴转向,重型化,军用车辆

对于军用而言，使用最多的是多轴转向导弹车、装甲车以及货车。当代高科技战争的特点决定了军用车辆的重型化、多轴化和复杂化。首先是武器装备的重型化和复杂化必定要求与其配套的车辆也有承担相应重型化和复杂化的能力。其次，要在极短时间内集齐大量的消耗物资补给也必要要求作为勤务运输工具的补给车辆重型化。作为现代军队战斗力四大要素之首的机动性要求军用车辆具有良好的转运和投送能力，并且保证在一定载重的基础上能够快速稳定的通过各种路段[1]。（a）多轴转向货车（b）多轴转向工程车

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【参考文献】