基于航向角和位置偏差控制的驾驶员模型

建立能够适应复杂路径的驾驶员模型是车辆操纵稳定性闭环仿真的关键。将驾驶员的预瞄路径分成了数段,在每段计算横向位移和航向角的偏差。在此基础上,基于车辆航向角和横向位移偏差对车辆转向运动进行控制,使车辆可以跟随任意复杂路径。为了获取驾驶员模型的控制参数,设计了不同的行驶工况,采用遗传算法优化驾驶员模型控制参数。Carsim和Simulink联合仿真显示建立的驾驶员模型可有效跟随复杂道路。     

基于EKF对汽车质心侧偏角的估计

通过道路实车试验,验证了Car Sim的仿真模型的准确性,为后续的估计提供仿真实验平台。用Car Sim代替实车,基于卡尔曼滤波KF(Kalman filter)用二自由度车辆模型;基于扩展卡尔曼滤波EKF(Extended Kalman Filter)用三自由度车辆模型,分别在低速和高速两种工况下,建立Car Sim和MATLAB/Simulink联合仿真,估计质心侧偏角,比较估计效果。实验结果表明:由于汽车在低速行驶的工况下车辆动力学特性大致呈线性变化,用KF和EKF估计值差别不大,但是汽车在高速行驶的工况下车辆动力学特性趋于非线性,KF估计结果误差较大,而EKF估计的适应性要好一些。     

自走式三七联合收获机底盘通过性能分析与模型试验

针对自走式三七联合收获机在田间作业安全性不足与行驶稳定性较弱等问题，开展了黏重土壤条件下底盘的行驶通过性能研究。首先，对联合收获机的直行转向、纵横向爬坡和越障等行驶工况进行理论分析，获得了影响行驶通过性能的各因素参数，其次，通过ADAMS ATV开展多体动力学仿真分析，绘制了行驶工况下欧拉角与对应的角速度曲线，最后，运用相似理论的量纲分析法设计了1∶4的联合收获机底盘微缩平台模型，对纵向爬坡、跨越壕沟和翻越田埂3种典型行驶工况开展行驶通过性能模型试验。仿真结果表明，联合收获机底盘具有平稳的直行与转向性能，能够顺利通过30°纵坡、20°横坡、600mm壕沟及300mm田埂；模型试验结果表明，模型能够顺利通过30°纵坡、150mm壕沟和75mm田埂，以上3种工况下的俯仰角与对应的角速度曲线趋势与仿真一致，且二者所得俯仰角曲线的幅值变化相同，试验误差主要受实际地形平整度与土壤均匀度的影响，因此表明模型试验能够验证仿真分析结果的正确性，通过模型对原型的预测及仿真结果，满足了联合收获机行驶通过性能的设计要求，该研究可为丘陵山区根茎类联合收获机底盘的设计提供理论基础与参考。     

跨式油茶果收获机履带底盘行走液压系统设计与试验

跨式油茶果收获机在丘陵山地作业时需要较大的牵引力,且要求行走平稳。本文基于机液联合仿真技术对跨式油茶果收获机底盘行走液压系统进行设计,以达到动力匹配及行走性能较优的目的。在RecurDyn软件中建立了跨式收获机履带底盘虚拟样机模型,采用谐波叠加法构建了B级路面谱,仿真分析了跨式履带底盘直线行驶和差速转向的动力学特性。通过AMESim与RecurDyn软件对收获机行走系统进行机液联合仿真,研究底盘在直线行驶与差速转向工况时行走马达液压特性。研制了全液压驱动的跨式油茶果收获机,进行了地面直线行驶与差速转向测试,结果表明：底盘直线行驶偏移率为1.7%;直线行驶时,行走马达流量稳定在23 L/min,压力稳定在1.5 MPa;差速转向时,行走马达流量稳定在22 L/min,压力在2～12 MPa范围内波动,验证了跨式履带底盘行走液压系统的稳定性。     

基于RecurDyn小型绿篱修剪机履带底盘越障性能分析与仿真

目前以卡车、拖拉机为承载车的绿篱修剪机因为体积庞大、轮式承载车通过性差而无法在狭窄、凹凸不平等复杂路面作业,因此,需要一种小型的绿篱修剪机,并以履带底盘作为其承载机构。本文以在狭窄、凹凸不平等复杂地形作业的小型绿篱修剪机履带底盘为研究对象,对履带底盘在斜坡上的横向、纵向稳定性以及翻越垂直壁和跨越壕沟过程中的越障性能进行分析,得出小型绿篱修剪机履带底盘越障性能与其结构参数的内在联系。利用多体动力仿真软件RecurDyn对履带底盘进行三维建模,并对分析结果进行仿真验证。验证表明,所建立的小型绿篱修剪机履带底盘模型,在黏土路面以低速挡(1.08 km/h)行驶时,最大纵向上坡角度为32°,翻越垂直壁最大高度为145 mm,跨越壕沟最大宽度为275 mm;履带底盘质心向前、向下移动不但能提高其在不同工况下的越障能力,而且越障过程更稳定;降低车速,有利于提高其越障稳定性。     

自主跟随车辆航向控制系统

提出了一种基于红外传感器检测相对航向角的车辆自主跟随控制系统建模和设计方法,对相对航向角的检测机构及其工作原理进行了介绍,重点讨论了基于步进电动机驱动的转向控制系统的建模方法、前轮转向角和航向角之间的关系以及相应的控制算法的设计,航向角控制系统模型的Matlab仿真结果和控制系统的实际运行结果高度吻合。结合自主改装的电动车自主跟随系统在果园路径进行了实验,实验过程中,引导车和跟随车行驶路径之间的最大横向偏差为9.2 cm,平均偏差为3.3 cm,方差为5.5 cm2。实验结果表明,基于红外传感器的车辆自主跟随控制系统能实现车辆的自主跟随,系统运行稳定可靠,体现出其在复杂农业环境中的应用前景。     

视觉导航拖拉机自动转向控制系统研究

拖拉机的转向控制系统是实现自动驾驶的重要组成部分。为此,以铁牛654拖拉机为研究对象,进行了自动转向控制系统的研究,提出了基于简化的运动学模型模糊控制方法。将利用视觉传感器得到的方位偏差和侧向偏差作为控制器的输入,控制器可以根据输入实时输出相应的前轮转角。仿真和试验表明,该控制器有比较好的跟随性和响应性,可以较好地适应低速时拖拉机行驶的要求,为深入开展拖拉机的自动驾驶研究提供了有益尝试。     

静液压—机械驱动桥式履带底盘分段跟随转向控制研究

为提高静液压-机械驱动桥式履带底盘转向的可操作性及安全性,设计了一种分段跟随控制策略及利用转向盘输入的转向电控系统。根据打滑条件下履带底盘转向分析结果,求解出理论转向轨迹,并根据机械驱动桥响应复位时间进行分段处理。实际履带底盘转向轨迹根据控制策略中所划分的行驶方向角度与位置偏离限控制每一分段时间内驱动桥的离合制动器作用状态,实时跟随理论轨迹。建立了控制策略的评价方法,并进行了算法仿真和电控系统设计及实车试验。仿真结果表明控制算法履带底盘转向相对误差为5.9%~10%,执行器作用平均频率为2.5~6.6 Hz。实车试验表明,利用转向盘输入的电控转向系统可满足静液压-机械驱动式履带底盘的转向需求,能够实现驾驶人员转向意图,转向过程平稳。同时,电控系统能够有效减少履带底盘转向过程中的原地滑转,从而减小对地面和农作物的损伤。     

作物表型信息获取机器人底盘设计与试验

为进一步提升农业机器人底盘田间适应性和行驶稳定性,面向我国山东地区小麦表型信息获取作业场景,设计了一种四轮独立驱动转向的农业机器人底盘。根据小麦种植农艺需求和行驶地形环境,确定了底盘总体布局方案和主要技术参数。分别开展了底盘驱动部件、转向部件以及摆臂平衡部件设计,并进行了参数校核和元件选型。建立了关键部件ANSYS有限元模型,分别进行了摆臂平衡机构的应力形变分析和车架振动模态模拟,仿真结果表明,摆臂平衡机构的强度和刚度均能满足设计要求,车架能够有效避免因地形激励产生的共振。建立底盘ADAMS动力学仿真模型,分别进行纵向、横向稳定性分析和单侧凸起、凹坑越障性分析,仿真结果表明,底盘横纵向稳定性能够满足设计要求,摆臂平衡机构能够有效补偿单侧障碍造成的质心高度变化,提高了底盘的行驶稳定性。田间试验表明,机器人底盘具有良好的行驶性能,硬质地面直线行驶平均偏驶率为0.51%,田间地面平均偏驶率为1.13%。原地转向中心点偏移量为3.1mm,阿克曼转向最小转向半径为1.125mm。纵向翻倾角为34°,横向翻倾角为28°。单侧越障最大高度为160mm,单侧跨坑最大深度为160mm。     

滑动齿轮差速器的设计与运动仿真分析

介绍一种滑动齿轮式差速器的基本结构和工作原理,采用UG建立样机的物理模型,通过UG与ADAMS的数据交换接口把模型的几何数据转换为ADAMS动力学模型。直线行驶和转向行驶工况仿真计算结果表明,该差速器符合低速农业机械差速转向要求。     

液电混动履带底盘电液系统联合仿真与试验

针对传统以液压驱动或纯电驱动的履带式农机装备功耗大、系统响应慢、电池续航短、功率扭矩输出不足等问题,本文提出了一种高效液电混动履带式行走底盘,集成了液压驱动和电驱动两套独立动力系统,双液压马达及双伺服电机的四轮驱动结构,可实现整机大扭矩输出,利于整机轻量化设计;通过伺服电机速度及力闭环控制,适应匹配底盘外负载的变化,可显著改善闭式液压驱动系统的动态输出特性,提高整机动态控制性能并降低工作能耗。基于AMESim与Matlab建立了电液混动系统的联合仿真模型,对比分析整机在平地直线行驶、山地爬坡、原地转向等不同工况的行驶动态性能,试验结果表明所设计的液电混合驱动履带底盘最大行驶速度可达1.1m/s,原地转弯时间最快为2.4s,最小转弯直径为150cm,可实现丘陵山地复杂地形转弯及调头;履带底盘直线行驶偏移率不大于3.3%;在相同工况下与液压驱动相比,液电混合动模式下整机能耗可减少9.3%,提高了整机工作效率。     

一种山地动力底盘的结构设计及坡道转向动力学分析

针对丘陵山区农业作业环境的复杂性,设计了一种适宜丘陵山区作业的农用动力底盘。针对该动力底盘实际的运行环境,利用经典力学理论建立其坡道转向动力学模型,研究了底盘所受纵向分力对坡道转向性能的影响。研究表明：受纵向分力的影响,前后轮之间产生侧滑力差值,使得实际转向半径大于理论值,为其结构优化及运动控制提供理论依据。     

自适应式丘陵山地拖拉机底盘传动及转向系统设计

针对丘陵山地拖拉机田间地头转向困难及已作业地块易被压紧压实的难题,设计了一种自适应式丘陵山地拖拉机底盘。其采用机械传动方式,发动机横向布置于车架上,动力由发动机一端经过皮带输送到变速器等传动部件用于底盘驱动行驶,另一端输出用于田间收割等作业。转向系统为断开式梯形结构设计,采用前轮偏转和四轮偏转两种转向方式,可实现全液压四轮异相位转向。结果表明：底盘最高及最低行驶速度分别为10.98 Km/h及0.91 Km/h,最大传动比为370.37,最小传动比为61.38,底盘前轮偏转时的最小转弯半径为2003mm,四轮偏转时的最小转弯半径为1494mm。该丘陵山地拖拉机具有良好的小地块作业适应能力。     

果园多功能动力底盘设计与试验

为解决果园作业机械适应性差、配套动力小、地隙高、转弯半径大、通过性差等问题,结合果园栽培模式和农艺等要求,设计了一种果园多功能动力底盘。对果园多功能动力底盘的整机结构和工作原理进行了阐述,设计了行走动力系统和后动力输出系统以及3路双作用液压快速挂接系统;对整机的转向性能、稳定性能、越埂性能进行了理论分析。对机架进行了有限元仿真分析,结果表明,在满载四轮着地状态下,车架最大变形发生在中间横梁部位,总变形量为5.08mm,最大等效弹性应变为0.0035,最大等效应力发生在前桥和车架铰接处,为390.52MPa;在满载三轮着地状态下,车架最大变形发生在侧梁部位,总变形量为20.74mm,最大等效弹性应变为0.0058,最大等效应力发生在前桥和车架铰接处,为805.46MPa。整机果园田间试验结果表明,果园多功能动力底盘行驶速度为0~35km/h,田间作业速度为1~6km/h,最小转弯半径为2m,最大爬坡角为24°,最大越埂高度为235mm,可挂接多种农具,能够满足果园的田间生产管理作业要求。     

丘陵山地拖拉机底盘传动及转向系统的设计

针对拖拉机在丘陵山区适应性差，田间地头转向半径大、易损害作物，耗时长和效率低等问题，设计了一种可原地转向的504型丘陵山地拖拉机底盘。整机采用四驱轮式行走系统，前进和后退速度为0～5 km/h，可无级调速。传动系统采用机械式“H”型传动路线，通过纵梁内外双轴的设计将左右两侧的驱动力独立分开。采用离合器式转向分动器，通过转向分动箱内的牙嵌式离合器两两组合，完成底盘不同作业状态的控制，两路动力通过正转+正转、反转+反转、正转+反转和反转+正转4种状态的组合，实现拖拉机的前进、倒退、左右大小半径转向和原地转向。结果表明，整机最大牵引力为10.78 kN，最大及最小总传动比分别为732.50和73.25，前后驱动桥传动轴最高及最低转速分别为31.07和6.21 r/min。底盘的轮距和轴距比值为1，其所受滑移阻力矩与滚动阻力矩之和小于其所受驱动力矩，可在窄小地头实现原地转向，减小拖拉机田间作业的空行程，提高作业效率，有效保护农作物。      

抓草机电动助力转向系统的控制与仿真研究

为了改善农用抓草机的转向操纵灵活性、减轻驾驶员的劳动强度,设计了一种适合抓草机的电动助力转向控制策略。根据简化的抓草机电动助力转向物理模型,给出了抓草机电动助力转向系统的数学模型;设计了合适的助力特性曲线,采用PID和直流斩波控制策略对电动机目标电流进行闭环跟踪控制。仿真结果表明:助力特性与所设计的助力特性基本一致,且随着车速提高,转向盘上的转矩也相应增加。设计的控制要求策略既提高了转向的轻便性,又保持了驾驶员的路感,可满足抓草机在转向操作稳定性要求。     

联合收割机差速器式原地转向机构设计

为了解决传统联合收割机田间转向时对地表的破坏、减少田间频繁转向时对摩擦片的损耗及缩短田头转向时间,设计了一种通过制动差速器齿轮从而使得动力反转的原地转向机构。分析了系统的工作原理,计算校核了核心部件的强度,针对相关转向性能进行了干沙路面动力学仿真。仿真结果显示该机构可实现3种转向模式:在输出动力侧加载线速度相同时,原地转向模式转过90°用时最短、功耗最高、转矩最大;自由转向模式中进行转向微调时无需使用摩擦片;单边制动转向模式能够进行急转向。所建立的路面模型可以为下一步的田间作业模拟奠定基础。     

高地隙喷雾机自转向电动底盘控制系统设计与试验

针对传统机械传动式高地隙喷雾机底盘在水田环境行走时容易陷入泥泞和深沟的问题，设计了一种四轮独立电驱动自转向电动底盘。底盘转向机构由可自转向的前后桥构成，根据自转向机构特点，提出了底盘部分动力学建模方法，将未建模动态以及外部扰动合并为总扰动，构建扩张状态观测器（Extended state observer, ESO），实时估计总扰动并进行扰动补偿，再对无扰动的线性模型设计串级比例控制器，进行模型参数辨识与控制验证。仿真结果表明，采用阶跃信号模拟扰动，ESO扰动观测值可在0.5s内收敛到实际扰动；扰动观测器收敛后，当期望转角从0°突加至20°时，得到转角跟踪控制响应曲线的上升时间为1.9s，超调量为2.3%。试验表明，喷雾机以1m/s的速度行驶在平坦路面时，前转向桥转角上升时间为3.1s，后转向桥转角上升时间为2.0s，说明本控制方法具有较好的控制效果；喷雾机在满载的情况下工作在泥泞田间时，可以越过宽20cm、深40cm的泥泞深沟，说明其在田间具有良好的通过性。     

四轮转向车辆鲁棒控制系统快速开发仿真与试验

考虑车辆行驶工况的不确定性及系统建模误差,建立了多自由度四轮转向车辆动力学数学模型.基于结构奇异值μ综合鲁棒理论,通过设立不确定性虚拟模块,设计了μ综合控制器,抑制外部扰动;基于Mathb/Simulink/dSPACE建立了四轮转向(4WS)车辆控制系统的HILS快速开发平台,验证测试控制器的有效性;通过实车试验修订硬件在环仿真结果.试验表明四轮转向车辆控制系统的纯数字仿真-实时数字仿真-硬件在环仿真-实车试验整个控制系统开发过程的有效性及优越性,说明该快速开发系统具有较好的扩展性.