二自由度铰接车体车辆越障稳定性分析及偏移饱和控制
第1章 绪论
移动机械行驶的地形一般分为人工路面和非人工路面。非人工路面的地貌起伏不平、构成复杂、路况多变且无法预知，如山地、荒野、地质灾害现场等等[1,2]。移动机械在复杂的地形下行驶或作业需要具备较强的越障能力，为了实现移动机械在复杂地形下的高越障性能，各个国家的研究机构根据不同的作业需求和作业环境，开发出了多种形式的移动机械[3,4]，广泛应用于农业、建筑、运输、探测、救灾、军事等方面[5,6,7]。
在诸多移动式机械中，铰接式车辆因其结构形式简单、机动性强等优点被广泛应用[8,9,10]；为了增强车辆的越障能力，铰接式车辆通常采用摆动式桥架结构，通过摆动式桥架使车身绕纵向产生一定角度的摆动[11,12,13]，这样车辆在行进时车轮能与地面充分接触而获得足够的牵引力，如图 1.1 所示。摆动式桥架结构虽然增强了车辆对地形的适应性，改善了车辆的横向稳定性和通过性，但桥架的摆角一般在±8°~±13°之间，相对较小，，当车辆在某些起伏很大、变化剧烈的地形下运动时，会造成部分车轮悬空，无法提供足够的牵引力，影响了其对地形的通过能力，无法满足工作需求[14,15]。
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针对现有的摆动桥架式铰接车绕纵向摆动角度小、地形适应性和通过性不强等缺点，本实验室研发了一种越障能力强的二自由度铰接车体车辆，如图 1.2 所示，它的前后车体之间能够产生大角度的纵向摆动，以适应变化剧烈的地形。二自由度铰接车体车辆的车体结构布局可以使其作为一个移动载体，安装多种工作装置，而且它的结构简单，操控简便，具有良好的越障性能和强大的野外生存能力，能承担不同领域、不同类型的作业任务，可以广泛的应用于山地作业、野外开荒、灾害现场清理救援等。
随着对无人操控车辆需求的增大以及通信技术、自动控制技术的进步，国内外对于无人操控车辆的研究越来越重视。目前无人操控车辆已经成功应用到许多领域。在军用领域，无人车辆可用于物资运输、搜救等，可以代替士兵完成危险地带的军事任务，避免发生人员伤亡[16-17]。在民用领域，无人操控车辆应用范围更广，如抢险救灾，其工作环境一般较为恶劣，驾驶员操作工程车辆进行长时间操作会产生疲惫，容易发生事故，而采用无人操控车辆能避免事故发生，提高了安全性；在农业方面，农作物的播种、收获、施药等需要控制运动路径以避免损伤作物，人力操控车辆进行作业时，精度差、效率低，而采用无人操控车辆可以进行精准的运动控制，提高作业精度和生产效率；在危险的环境中作业，如在有毒有害物质的环境下或高危环境下，作业人员操控车辆进入现场作业是有害健康的或不可行的，而采用无人操控车辆则能够顺利完成这样的工作[18,19,20]。在二自由度铰接车体车辆的基础上配备无人操控系统，使其具备恶劣危险环境下作业的能力和运动路径精准作业的能力，具有巨大实用价值和经济效益，因此对二自由度铰接车体车辆的无人操控研究具有重要意义。而防倾翻预警及偏移控制作为无人操控技术中的关键问题，需要加以系统的研究。
无论是实现车辆的无人操作还是倾翻预警，其前提条件都是需要对车辆越障过程进行准确的运动学和动力学建模，分析车辆越障时的运动状态和稳定性。通过对二自由度铰接车体车辆越障运动的运动学和动力学分析，可以为车辆的性能改进提供技术支持，也能为车辆后续的无人操作控制系统和倾翻预警系统的设计提供理论依据[24,25,26]。目前，移动机器人的运动学、动力学、运动控制和稳定性等问题的研究已经形成了较为完善的体系，虽然铰接式车辆和移动机器人的研究侧重点不同，但是二者的基本结构形式相似，结合铰接式车辆稳定性研究成果，把移动机器人的研究理论和方法应用在铰接式车辆上，对于拓展和丰富具有铰接车体的轮式车辆理论、扩展其应用范围及提高其应用价值具有深远的意义。
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第2章 二自由度铰接车体车辆的结构及性能分析
二自由度铰接车体车辆前后车体间具有两个相对自由度，这种结构形式可以使车辆在复杂的地形下行进时，保持全部车轮与地面的良好接触，提高其越野性能。车辆越野性能的评价方式包括车辆的动力特性、地形机动能力、越障的稳定性等。本章主要对二自由度铰接车体车辆的结构形式、动力特性和车辆越障时的几何通过性进行分析。
二自由度铰接车体车辆在设计过程中，参考国内外的铰接式移动机械的结构设计，本车采用了包含前车架和后车架的两段式车架结构设计形式，前车架和后车架分别安装在前驱动桥和后驱动桥上，通过二自由度铰关节结构连接，如图 2.1 a)所示。其中一个铰关节为前后车架间的转向铰关节，前车架通过上下铰接销轴连接到铰接座上，前车架和铰接座之间连接有转向液压缸，转向液压缸的伸缩能使前车体绕上下铰接销轴转动，实现车辆运动时的转向；另一个铰关节为前后车架之间的纵向摆动铰关节，铰接座与主轴套固连，自润滑轴承与后车架固连，主轴套安装在自润滑轴承中，使车辆的前驱动桥和后驱动桥可以通过自润滑轴承纵向摆动，使车辆产生被动适应地形的能力，如图 2.1 b)所示。车辆的前后车体采用二自由度铰关节连接，能使车辆在越障时车轮充分和地面接触，车轮的附着性能好，车辆能获得充分的驱动力，越野能力增强。
二自由度铰接车体车辆的动力系统直接决定了车辆的动力性能和爬坡越障能力，车辆在平地、越野运动或者移动作业时，车辆的速度和牵引力输出变化很大，因此发动机需具有较大的输出功率变化范围[118]。二自由度铰接车体车辆采用双桥驱动，使牵引力的附着性能相比单桥驱动有显著改善，有较好的操纵性、纵向稳定性和良好的通过性，如图 2.2 所示。
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由式 2.9 和式 2.10 可以看出，二自由度铰接车体车辆在稳态转向时，每个车轮的转向半径和转向速度不同，如果车辆稳态转向时各车轮的转动速度不协调，则会导致转向时轮胎和地面发生滑移和剪切变形。考虑到这一问题，在二自由度铰接车体车辆的设计中，在前后桥装置了差速器，使每个车轮在转向时按照各自的转速运动，避免车辆在转向时前后桥出现干涉导致转向阻力矩增大，产生转向滑移、轮胎磨损严重等现象。
如果二自由度铰接车体车辆的前后车体长度相等，根据式 2.9 和式2.10，前后车体的转向半径和转向速度相等。在二自由度铰接车体车辆结构设计中，前车体长度比后车体长度小，因此车辆在稳态转向中，前车体的转向半径和转向速度大，通过给定前后车体间最大转向角度1 和车体几何参数，可以求得理论上车辆稳态转向时的最小转向半径约为 3.97m。
二自由度铰接车体车辆的越障能力与车辆的动力性能有关，也与车辆的设计参数有关。车辆在各种障碍地形下运动，在不发生倾翻的前提下，要最大限度的保证车辆对障碍的通过能力，这是车辆设计时需要考虑的因素。车辆的通过性是指在一定负载下，车辆通过各种路面（如土地、沙地、雪地、沼泽等）和通过各种障碍（坡道、台阶、路沟等）的能力[120]。因此通过性可以分为两类，即支承通过性和几何通过性[121,122,123]。支承通过性的指标一般包括：牵引系数、牵引效率、燃油利用指数、附着质量和附着质量系数、车辆接地比压等，它与车辆选择的发动机、驱动形式、车体质量等因素有关[124-127]。
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3.1 多刚体系统动力学基本理论··················· 25
3.2 二自由度铰接车体车辆在复杂地形下的动力学模型········· 27
第 4 章 二自由度铰接车体车辆的稳定性分析············41
4.1 二自由度铰接车体车辆的静态稳定性·············· 41
4.1.1 二自由度铰接车体车辆一级静态稳定性 ··········· 41
第 5 章 二自由度铰接车体车辆的越障偏移现象研究·········65
5.1 二自由度铰接车体车辆越障偏移现象和研究意义········· 65
5.2 二自由度铰接车体车辆的运动学建模············· 65
第6章 二自由度铰接车体车辆的路径偏移饱和控制
二自由度铰接车体车辆因其地形适应能力强，功能上可扩展性好，适用于多种工况，为了更好地发挥其优势，在危险恶劣环境中高效率作业，研究其无人操控技术极具应用价值。车辆无人操控的核心是车辆的运动控制，而控制算法的优劣则决定了整个车辆控制系统的好坏。铰接式车辆在运动中，使车辆运动路径偏离原路径的因素很多，包括：车轮与地面相互作用产生的滑移、滑转；每个车轮与地面接触的滚动摩擦系数不同引起的转向阻力；车辆结构设计中车轮驱动力分配误差；液压转向机构的柔性引起的转向扰动；车架装配中，前后车体存在转向偏差；前后车体的车桥相对摆动引起的运动方向偏移等，由于上述问题的存在，需要对二自由度铰接车体车辆进行路径偏移控制。由于在工程应用中普遍存在控制输入饱和现象，目前对于轮式移动机械的路径偏移控制中，有关控制输入饱和的问题研究较少，因此针对二自由度铰接车体车辆路径偏移控制中执行器饱和问题的研究具有重要的意义。
在工程应用中，很多系统都具有非线性的特点，在非线性系统中，当执行器的输入量较小时，输出一般呈线性增加，当输入增大到一定程度时，输出达到某一量值而不再增加，这种现象就称为执行器（控制输入）饱和。执行器饱和(actuatorsaturation)是在工程上普遍存在的现象，在线性系统中，一般控制输入的大小是没有约束区间的，可以取任意值，但是在实际的应用中，所有的执行机构都具有固有的物理约束[153,154]，如二自由度铰接车体车辆的液压转向系统控制阀的阀口开度有限，液压控制阀有最大流速的限制，由此产生的转向力矩是有上限的，而且液压转向系统中的液压缸活塞杆伸长量存在最大值，则转向时前后车体间的转向角度也在一定范围内变化，所以在对二自由度铰接车体车辆进行路径偏移控制时，必须要考虑液压转向机构作为执行器的控制饱和问题。
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第7章 结论与展望
二自由度铰接车体车辆相比普通的铰接式车辆，地形适应能力强，功能上可扩展性好，可以应用到很多的领域，有着巨大的发展前景。全面了解二自由度铰接车体车辆的性能，实现车辆的无人化操作，需要分析车辆的运动学、动力学特性，研究车辆的越障稳定性和控制方法。
二自由度铰接车体车辆的前后车体之间存在摆动，车轮和地面的接触属于三维空间，而普通的铰接式车辆轮地接触都在同一个平面内，因此本文中采用了多刚体动力学方法，建立了车辆在三维空间下运动时的动力学模型。因为车辆在越障过程中姿态变化明显，液压转向机构的柔性会对车辆的动力学性能产生影响，在车辆的动力学建模中，加入了液压转向机构的柔性动力学模型；
二自由度铰接车体车辆采用无人操控的方式可应用于危险环境、提高生产效率，有着广阔的应用前景。本文采用了多刚体运动学方法建立了铰接式工程车辆的运动误差动力学模型，用于研究车辆的路径偏移控制。在设计控制算法时，考虑了控制输入的饱和问题，通过反步法（backstepping）设计了车辆路径偏移控制时的抗饱和控制算法，通过仿真分析和实验验证了抗饱和控制算法的有效性。
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参考文献（略）
本文编号：196234
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/196234.html
