铰接式工程车辆操纵稳定性控制与可视化模型开发

发布时间：2020-08-21 13:25

【摘要】：作为工程机械的重要组成部分,铰接式转向车辆(简称为铰接车)以良好的机动性、广泛的适应性、较高的生产率、较低的运营成本等优点,广泛应用于农业、建筑、林业和采矿等行业。然而由于缺乏自动回正力矩、驾驶员视野随转向而动、以及全液压转向自身缺陷等一系列问题,导致铰接车的可操纵性变差、行驶稳定性降低,造成了一定的驾驶员操作负担、影响了车辆的行驶安全。为解决上述问题,本文立足于搭建准确的铰接车数学模型并实现可视化仿真,深度研究铰接车横摆稳定性的影响因素,并从驾驶操纵和车身稳定性两个层面对铰接车的姿态进行控制。针对目前铰接车模型在准确性、仿真实时性、可视化显示等方面不能兼顾的问题,推导、搭建了耦合全液压转向系统在内的铰接车非线性系统数学模型,并分别以实车场地试验和多体动力学模型对数学模型在低速和高速时的准确性进行了验证。开发了基于虚拟现实的铰接车可视化仿真模型,使铰接车模型同时具备了较高的仿真精度、较快的仿真速度、以及更好的视觉效果。通过外接方向盘和踏板组件的方式,实现了铰接车的驾驶员在环仿真。基于铰接车2-DOF和3-DOF模型,分析了轮胎侧偏刚度、整车质心位置、液压转向系统等效扭转刚度等对铰接车稳定性的影响。讨论了两种线性模型的优缺点,给出了适合铰接车稳定性控制的参考模型。基于实车试验结果分析了铰接车方向盘转角与折腰角之间的非线性对应问题,并通过对非线性车辆模型的仿真分析找出了造成铰接车方向盘与折腰角不能同时回正的原因。分析了铰接车横摆稳定性的影响因素,给出了铰接车稳定性参考Map图。为解决铰接车可操纵性差以及行驶环境影响驾驶员安全的问题,提出了一种基于动态虚拟地形场的铰接车路径跟踪控制策略。设计了基于主动安全的车速控制器;建立了虚拟地形场的截面函数,给出了直接侧偏角控制和虚拟道路侧倾控制两种方法纠正侧偏的影响;根据相关参数的可变性,将虚拟地形场函数划分为基本地形和动态地形;结合铰接车动力学模型与虚拟地形场下车辆侧倾产生的轮胎侧向力,得出主要折腰角,与补偿角叠加共同组成目标折腰角;针对方向盘与折腰角不能同时回正的问题,提出了固定传动比与PID反馈控制相结合的铰接车转角控制方法。在MATLAB/Simulink环境中建立了铰接车无人驾驶路径跟踪控制器,分别在环形道路、双移线道路、蛇形道路等工况下进行了路径跟踪控制仿真,并将结果与驾驶员在环仿真控制结果进行了对比。结果表明,无人驾驶路径跟踪控制以较小的误差和较平稳的转向操作,显示出对驾驶员控制的绝对优势,验证了铰接车无人驾驶路径跟踪控制算法的有效性。针对铰接车相对横摆稳定性差、容易受到多种因素影响的问题,设计了两种铰接车的横摆稳定性改进办法。首先通过改进液压转向系统的结构方案、对液压转向缸进行补油压力控制改善铰接车的横摆稳定性,并通过仿真分析确定了适合35t铰接车的补油压力参考值。之后设计了基于LQR的铰接车横摆稳定性控制器,以及基于最优轮胎利用率的车轮驱动力分配控制器,并设计了车轮防滑控制器。最后通过仿真验证了铰接车横摆稳定性控制器的有效性和鲁棒性。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U461.6
【图文】：

铰接车,运动轨迹,现象

由于采用了特殊的转向和连接方式，铰接车直线行驶时会逐渐偏离直线逡逑道路、并需要驾驶员持续不断地对方向进行纠正，最终形成振荡形状的行驶逡逑路径，如图１－１，通常称为“蛇形”现象。这一问题的存在使铰接车只能以逡逑较低车速行驶，远程遥控操作的铰接车速度不超过５－６ｋｍ／ｈ，驾驶员控制的逡逑铰接车速度超过３０ｋｍ／ｈ后必须配备操作辅助系统，以提高铰接车的航向稳定逡逑性印。逡逑１０１逦ｉ逦．逦１逦１逦逡逑／ｖ．逦｜逦ｊ逦ｊ逦ｊ逦＾逡逑°0邋Ｖ逦Ｔ￣７＂—Ｔ—逦＂邋ｆ逡逑ｒＡｙ邋＼邋ｌｙｖ邋ｈ逡逑ｈ．邋－逡逑＾５0逦—；逦ｉ．．．ｒ＼ｌＴｔ４逡逑—ｊ—１———ｉ￡；逡逑＂９0０逦２０逦４０逦６０逦８０逦１００逡逑Ｄｉｓｔａｎｃｅ邋ｘ，邋ｍ逡逑图１－１铰接车“蛇形”现象运动轨迹一车速２８邋ｋｍ／ｈＷ逡逑司机驾驶铰接车在矿山道路行驶时需要频繁调节方向盘，并抱怨驾驶负逡逑担过重。且车辆在行驶过程中无法沿直线行驶，处于不稳定状态。在对６０ｔ逡逑铰接车试验中发现，即使在平整路面上低速直线行驶，铰接车的两个转向液逡逑压缸始终存在位移波动，且油缸位移测试同时使用了两个独立的线位移传感逡逑器

汽车,方式,车轴,铰接车

汽车在行驶过程中，驾驶员通过控制车辆转向实现对目标路径的跟踪。逡逑根据转向方式的不同，可分为前轮转向、后轮转向、全轮转向、车轴转向、逡逑铰接式转向、差速转向转向原理如图１－２所示。在转向过程中，铰接式逡逑转向车辆的前后两个车体都发生了转动，而其他转向方式的车辆仅是车轮或逡逑车轴相对车体发生一定角度的偏转，这是铰接车与其他转向方式车辆的最大逡逑区别。铰接车的具体应用车型有铰接式自卸车、铲运机、装载机、拖拉机、逡逑平地机、林业伐木机等，示例如图１－３所示。逡逑／逦Ｖ邋Ａ逡逑／’前轮转向｜逦｜后轮转向＼邋］邋｜善轮转￥逡逑＾逦＾逦＾逦４逦＞逡逑ＭＡ逦Ａ逦Ａ逡逑，－Ｓ＾邋．．逦声Ａ逦ｒＷ－．逡逑车轴转向逦｜雇速转向、逡逑＾逦备接转向一一逦＾逦＾逡逑图１－２汽车典型转向方式逡逑－２－逡逑

铰接式,转向车,应用示例

由于铰接式转向解决了整体式底盘车辆在大牵引力和机动性的之间的矛逡逑盾，再加上经济方面的原因，铰接式转向系统逐渐受到欢迎，被越来越多的逡逑汽车制造厂商用于大吨位工程运输车辆。铰接式转向系统是一种全液压转向逡逑系统，其结构原理如图１－４所示，通常是由两个液压缸推动前后车体使其产逡逑生相对横摆角来实现车辆的转向，而液压缸的油路则由全液压转向控制器控逡逑制。对于大型工程机械来说，由于全液压转向系统具有操纵力小、结构紧凑、逡逑布置灵活、可实现人力应急转向等诸多优点。对于在农业、建筑、林业和采逡逑矿等行业广泛应用的非公路车辆，铰接式转向的设计显著地改善了车辆的可逡逑操纵性和转向能力，取得了更好的经济性。随着工程机械大型化的发展，转逡逑向阻力矩也之提高，靠单级全液压转向器控制的液压动力转向系统已不能满逡逑足转向要求。流量放大全液压转向系统是具有结构紧凑、体积小、重量轻、逡逑油路连接少、操纵省力、转向灵敏、安装布置方便、工作可靠和系统效率高逡逑等优点。目前，大型矿用汽车均采用流量放大全液压转向系统Ｈ。逡逑为得到更好的附着特性，在前后车体之间会安装有一个摆动环以允许两逡逑个车体之间的相对侧倾转动，铰接点则允许前车体相对折腰转动的最大角度逡逑达±４５°。与整体式底盘的轮式转向车辆相比，铰接式转向车辆需要克服的逡逑

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