车辆转向统一动力学模型及模型跟踪控制

为将两轴车辆控制算法应用于多轴车辆,该文在多轴转向车辆二自由度动力学模型的基础上,建立了多轴转向车辆和两轴车辆的统一动力学模型;在此统一动力学模型的基础上可通过对任两轴车轮的控制就能实现对多轴转向车辆的控制。同时根据零侧偏角控制策略构建了多轴车辆的动力学理想模型;对前轮机械转向和前轮电控转向的多轴转向车辆,分别设计了基于模型跟踪的控制系统并进行了分析。分析结果表明,采用统一动力学模型、零侧偏角控制策略和模型跟踪控制方法,控制系统调整方便且较易实现,也能达到理想的控制效果。     

基于模型预测的重型车辆侧翻主动控制

为解决重型车辆侧翻问题,提出基于模型预测的侧翻主动控制方法。通过车辆侧倾数学模型来预测车辆的侧翻趋势,从而实现对于车辆侧翻主动控制的实时性。以带有空气悬架的大型客车为例,结合空气弹簧的工作特性,设计主动控制策略,实现对车辆侧翻危险状态的主动控制。在车辆行驶速度80 km/h、方向盘转角200°的情况下进行仿真试验,车辆左侧空气悬架的刚度上升了12.9%,右侧空气悬架的刚度下降了13.7%,车辆侧倾角稳定在3.9°。结果表明,基于模型预测的车辆侧翻主动控制系统能够及时调整左右空气悬架的刚度,提高重型车辆的侧翻控制能力,减少重型车辆侧翻事故的发生。     

磁流变发动机悬置隔振性能与模糊PID控制

为了改善发动机悬置低频隔振特性,结合磁流变液体的流变特性,该文设计了一种磁流变发动机悬置,推导流动工作模式下液体液阻的表达式,运用键合图理论建立其键合图模型,推导磁流变悬置动刚度和阻尼角的表达式,应用Matlab软件编制程序对悬置低频动态特性进行仿真,仿真结果和试验结果基本吻合,证明了建模的准确性;建立了考虑悬架等效刚度和等效阻尼的发动机车架二自由度振动系统的数学模型,通过MATLAB/Simulink仿真模块搭建其仿真模型,并采用模糊PID控制方法对二自由度系统在不同工况下磁流变发动机悬置的隔振特性进行了仿真研究,结果表明磁流变悬置结合模糊PID控制方法能有效地降低车身加速度和传递到车架的力。该文为磁流变悬置的深入研究和发展提供了依据和参考。     

大型高地隙喷雾机喷杆主动悬架自适应模糊滑模控制

针对喷杆被动悬架在低频下隔离干扰性车身摆动性能不足的问题,该文在双连杆梯形喷杆被动悬架的基础上加装作动液压缸而获得喷杆主动悬架,并提出了基于自适应模糊滑模控制算法的喷杆主动悬架控制方法;在建立了喷杆主动悬架动力学模型和液压系统模型的基础上,应用Matlab/Simulink对主动悬架系统进行整体仿真分析,验证了该文控制方法的有效性;基于课题组开发的大型高地隙喷雾机搭建了实车试验平台,分别进行了实车静态跟随试验和田间试验。试验结果表明：采用基于自适应模糊滑模控制算法的喷杆主动悬架控制方法,喷杆倾角实车静态跟随响应时间和误差分别为2 s和0.002 rad,相较于PID控制的4 s和0.002 rad响应时间减小;同时,喷杆倾角田间试验摆动范围保持在-0.005～0.005 rad内。结论表明,该文提出的喷杆主动悬架控制方法具有良好的响应性、稳定性和准确性,可有效隔离干扰性车身摆动并保持喷杆稳定。该研究有利于提高中国大型高地隙喷雾机喷雾均匀性和喷杆作业稳定性。     

考虑药罐液体晃动的高地隙喷雾机底盘悬架优化设计

针对高地隙喷雾机作业工况复杂,罐内药液晃动及质量时变导致的整车行驶平顺性难以保证的问题,基于液体晃动动力学特性和机械模型等效准则,建立了喷雾机液—固耦合下的底盘非线性垂向动力学模型,应用多目标遗传算法对喷雾机底盘悬架系统参数进行了优化,得到了不同路面及充液条件下的悬架刚度、阻尼最优参数矩阵。优化结果表明,最优悬架参数下的整车车身垂向加速度、侧倾角速度、俯仰角速度及车轮动载荷较优化前分别降低27.5%、16.4%、25.8%及17.6%。搭建喷雾机整机试验平台,开展两种典型路面工况条件下的喷雾机整车试验。试验结果表明,与初始参数条件下的整车平顺性评价指标相比,悬架最优参数条件下的车身垂向加速度分别降低了15.58%与18.72%,车身侧倾及俯仰角速度均降低10%以上。研究结果可为包括喷雾机在内的罐体类车辆悬架设计、参数优化及控制提供参考。     

基于模糊双曲正切模型的车辆路径跟踪算法

为了实现铰接式车辆无人驾驶技术。针对路径跟踪问题,该文提出了基于模糊双曲正切模型的铰接式车辆路径跟踪控制算法。首先根据实地试验测得铰接式车辆的横向偏差、横向偏差变化率、航向角偏差、航向角偏差变化率和转向角的样本数据,建立其模糊双曲正切模型。在此基础上,采用改进的自适应反向传播(back propagation,BP)神经网络对模型进行参数辨识,并推导了基于Cauchy鲁棒误差估计器的权系数调解率公式。然后设计基于极点配置方法的控制器,得到转角的反馈控制率。从试验数据可以看出:车辆横向位置偏差、航向角偏差、转角控制量分别控制在0.008 m、0.07 rad(0.5°)、0.21 rad(12°)附近,各向偏差均稳定,误差控制在1%以内。该种路径跟踪控制算法的研究可为铰接式车辆无人驾驶提供参考。     

基于卡尔曼滤波的车辆侧偏角软测量

针对车辆稳定性控制过程中难以在线测得车辆侧偏角的问题,该文基于参数软测量理论和离散信号滤波理论,并结合卡尔曼滤波和驾驶员—车辆闭环系统模型建立车辆侧偏角软测量模型。该方法通过易测变量横摆角速度和侧向加速度估算车辆侧偏角,以实现车辆侧偏角的状态估计。基于预瞄最优曲率控制理论和预测—跟随理论所建立的二自由度驾驶员—车辆闭环系统建立了软测量模型,并建立其状态方程和观测方程。为进行状态估计,对模型的状态方程和观测方程进行连续系统离散化,得到以横摆角速度和侧向加速度为观测量的系统离散观测方程。通过双移线试验与蛇形试验进行场地试验获取纵向速度、侧向速度、横摆角速度、侧向加速度及车辆侧偏角等试验数据。估计值和试验值比较显示,两者变化趋势一致,误差均值在试验值幅值的10%以内,试验表明,软测量算法能准确估算出车辆侧偏角是可行的。研究结果可为软测量技术在车辆稳定性控制系统上的应用提供参考。     

基于多项式卡尔曼滤波器的车辆定位试验

为了研究多项式卡尔曼滤波器在车辆定位中的应用特性,分析阶数对多项式卡尔曼滤波器估算精度的影响以及评估多项式卡尔曼滤波器的工作性能,该文通过多项式拟合对非线性系统建模,构建多项式卡尔曼滤波器并进行车辆多传感器融合定位试验验证。首先分析了多项式的阶数对多项式卡尔曼滤波器的影响和多项式卡尔曼滤波器的工作性能评价方法;其次,在车辆定位常用的里程计航位推算公式的基础上分别使用0阶、1阶和2阶多项式对车辆纵向速度和航向角进行拟合,建立0阶、1阶和2阶多项式卡尔曼滤波器。在Pioneer 3-AT移动机器人平台上进行试验,多项式卡尔曼滤波器融合信息来源于里程计和AHRS传感器,RTK-GPS测量轨迹作为参考轨迹;同时将卡尔曼滤波理论误差和实际误差进行对比分析,验证了多项式卡尔曼滤波器的工作性能。试验结果显示,所建立的多项式卡尔曼滤波器的实际误差均在超过68%的滤波时间里处于理论误差范围内,验证了滤波器的工作性能正常。0阶多项式卡尔曼滤波器定位精度在X、Y轴方向上分别比里程计航位推算法提高63%和77%;1阶的定位精度优于0阶,2阶的定位精度优于0阶但劣于1阶,说明更高阶的多项式对里程计航位推算公式的车辆纵向速度和航向角拟合,对提高定位精度并无重要作用。该文研究对构建多项式卡尔曼滤波器,评估多项式卡尔曼滤波器的工作性能,以及多项式卡尔曼滤波器在车辆定位的实践应用提供参考。     

主动悬架与多桥转向混合控制器的设计与仿真分析

为了改善多桥车辆操纵稳定性和行驶平顺性,通过建立多桥车辆的5+2n自由度动力学模型,设计了主动悬架与多桥转向线性系统二次型最优控制（LQG）综合控制器。通过仿真试验,对比分析了采用与不采用综合控制器2种情况下,多桥车辆不同车速下对阶跃信号的各项性能指标的响应。结果表明：低速情况下,采用综合控制器较不采用控制器的多桥车辆侧偏角峰值减小0.03 rad、横摆角速度峰值减小0.1 rad/s、车身侧倾角峰值减小0.015 rad、俯仰角峰值减小0.015 rad、车身垂直加速度峰值减小0.3 m/s2、轮胎动位移峰值减小0.009 m;高速情况下,以上各性能指标峰值分别减小0.095 rad、0.4 rad/s、0.075 rad、0.09 rad、2.1 m/s2、0.018 m。多桥车辆采用综合控制器相对于不采用控制器时的操纵稳定性和行驶平顺性都有显著改善。     

水田激光平地机调平系统动力学建模

为实现基于动态过程模型的控制,提高平地机调平控制系统控制精度和稳定性,该文建立平地机调平系统动力学模型。水田激光平地机调平系统是一种典型的机械电控液压一体化结构,该文建立其从比例阀输入电流至平地铲水平倾角的动力学模型。首先根据平地机调平物理系统结构与工作原理,在简化和假定条件下,建立平地机调平系统受力分析图,以此分析和建立基于微分一代数方程的动力学模型,即DAE(differential—algebraic equations)模型。通过求解DAE模型,得出输入电流与输出平地铲角度的仿真结果,并用试验方法将仿真结果与实际结果对比来验证模型。结果表明该文提出的系统模型能较好地描述平地机调平系统动态响应。该文提出的研究方法不仅对不同机型的平地机机械设计与控制系统设计有指导意义,还对其他机电液一体的农机作业机械动力学建模与试验验证提供参考。     

轮胎非稳态侧偏特性半经验模型

在轮胎非稳态侧偏特性理论模型的基础上,提出了一种半经验模型。经过试验验证,在相关的低频范围内,理论值与试验值吻合较好。与理论模型相比,该模型结构简单,模型参数较少,便于在车辆动力学仿真中应用。     

履带车辆液压机械差速转向系统控制策略

为了准确实现驾驶员转向意图,解决履带车辆液压机械差速转向系统转向行驶控制问题,该文在对液压机械差速转向系统工作原理进行分析的基础上,运用动力学理论和模块化方法,推导了液压机械差速转向系统动力学方程,建立了系统数学模型。根据履带车辆转向行驶理论和转向安全要求,结合系统数学模型,设计了一种履带车辆液压机械差速转向系统控制策略,通过控制单元与液压泵排量控制器相互配合实现转向控制。仿真结果表明,所设计的液压机械差速转向系统控制策略安全有效,能准确实现驾驶员转向意图。     

多轴转向车辆二自由度鲁棒控制

为解决多轴转向车辆对参数不确定性所引起的鲁棒性较差的问题,该文在引入多轴转向车辆和两轴车辆的统一动力学模型的前提下,利用线性分式变换把模型中不确定结构与确定结构分开,并提出二自由度鲁棒控制器设计方法,其中前馈控制器实际上是模型匹配问题,反馈控制器是结构奇异值μ分析与综合问题。通过仿真看出,设计的前馈控制器对车速变化能进行独立补偿,反馈控制器对路面附着系数变化、轮胎侧偏刚度变化等引起的摄动具有很好的抑制性能,较好的实现了零质心侧偏角和横摆角速度跟踪控制目标。表明该控制方法能使系统具有良好的跟踪性能和鲁棒性。     

灰色关联及非线性规划法构建传递函数估算黑土水力参数

土壤水分特征曲线和饱和导水率是重要的水力参数,为了简便准确获取这些参数,以松嫩平原黑土区南部为研究区域,采集136个采样点土样用于测定不同土层土壤水分特征曲线、饱和导水率以及土壤理化性质,并运用灰色关联分析确定影响土壤水力参数的主要土壤理化性质,采用非线性规划构建土壤分形维数、有机质、干容重、土壤颗粒组成与土壤水分特征曲线、饱和导水率之间的土壤传递函数,并通过与现有土壤传递函数对比分析进行精度验证。结果表明:1)土壤分形维数是估算土壤水分特征曲线模型参数和饱和导水率的主要参数之一,同时,干容重和有机质含量也在不同土层土壤传递函数中起到重要的作用;2)通过验证分析,不同土层各参数平均绝对误差接近于0,均方根误差值也都较小,其中在不同土层土壤传递函数估算的土壤含水率均方根误差分别为0.022、0.017cm~3/cm~3;3)对比分析其他已存的土壤水分特征曲线和饱和导水率的土壤传递函数,该文构建的土壤传递函数均方根误差值均较小,决定系数值都在0.66以上,表明估算精度较高,均好于其他方法估算精度,具有良好的区域适应性。综上,所构建的土壤水分特征曲线和饱和导水率土壤传递函数可以用于松嫩平原黑土区土壤水力参数估算。     

变幅轮腿机器人智能越障步态规划与平稳性分析

为了实现机器人林区伐根的智能越障,保证机器人搭载扫描设备时的越障平稳性,该文设计了一种主动摆臂六轮腿式机器人结构,它具备2个独立的摆臂轮腿运动单元以及4个复合的摆臂轮腿运动单元。该文运用拉格朗日方程建立了机身智能越障过程中的摆臂轮腿动力学模型,采用最小二乘法拟合推杆的速度函数,通过ADAMS动态仿真以及样机试验,得到该变幅轮腿机器人在智能越障10 cm高度的过程中,机身的最大侧倾角与纵倾角较被动碰撞越障的右倾4.5°和前倾2.5°减小到左倾0.75°和前倾0.4°,验证了智能越障理论建模的正确性以及该系统的可靠性。该研究为该机器人在人工林区扫描作业的平稳越障提供了理论基础。     

基于模糊控制的三轴车辆全轮转向性能仿真

为了提高三轴车辆在极限工况下的稳定性,充分考虑轮胎的非线性特点以及车辆转向过程中轮胎垂直载荷的转移情况,建立了三轴车辆全轮转向的非线性二自由度整车动力学模型,以车辆的质心侧偏角为零为控制目标,基于模糊控制理论,采用前馈加状态反馈的控制方法设计了零质心侧偏角比例前馈加质心侧偏角反馈的全轮转向模糊控制系统,最后利用MATLAB/Simulink建立了该控制系统的仿真模型,对控制系统在车辆极限转向工况下的控制性能进行了仿真验证。结果表明,全轮转向模糊控制方法可使三轴车辆的质心侧偏角基本为0,横摆角速度和侧向加速度均能很快达到稳态值,因而可有效防止车辆在极限转向工况下发生侧滑失稳,可显著提高车辆的主动安全性。     

液体晃动降低半挂液罐车行驶稳定性

为研究液体晃动对半挂液罐车行驶稳定性的影响,针对罐体内液体的横向晃动问题,运用势流理论建立液体晃动的控制方程,采用Galerkin方法求解该方程,并求解液体受迫晃动对罐体的作用力,根据等效原则,建立液体受迫晃动的等效力学模型,在考虑液体质心的横向移动产生的附加力矩和液体动压力对罐体产生的作用力基础上,结合半挂车的刚体模型,建立了半挂液罐车数学模型。对液体和固体2种货物,通过阶跃转向和双移线2种工况对比仿真试验,分析了液体晃动对半挂液罐车行驶参数和车辆失稳形式的影响。仿真结果表明,在阶跃转向时,液体晃动对车辆的侧倾角影响较大,降低了车辆的侧翻速度阈值,而对其他运行参数影响较小;在双移线工况时,液体晃动加剧车辆的侧向加速度和铰接角的波动,使车辆横向摆振明显;在充液率k=1.2附近,随着车速的增加,车辆先表现为摆振失稳,再发生侧翻,而在接近满充液率(k=1.9)情况下,随着车速的增加,车辆直接表现为侧翻事故。该文为半挂液罐车稳定性控制的研究和安全行驶提供参考依据。     

考虑路面激励的车辆侧翻仿真分析

为了能够有效地反映路面激励与转向输入引起的车辆侧翻特性,提出了一个能够同时考虑路面输入与转向操纵的联合车辆侧翻模型。利用Matlab/Simulink搭建了联合模型的仿真模型,并采用Adams车辆模型验证了联合模型的有效性。在此基础之上,通过开展仿真试验分析了路面等级、行驶车速、转向盘操纵速度等参数对车辆侧倾状态的影响。研究结果表明:联合模型能够较好地反映车辆在转向输入、路面输入耦合工况下的侧倾状态。该研究为车辆侧翻研究提供了有效的参考模型。     

基于“弦”胎体理论的轮胎转偏模型

根据基于“弦”胎体理论的轮胎非稳态侧偏模型和不同侧向输入时传递函数间的相互关系,得出轮胎非稳态转偏模型。将模型中Ｅ０函数展开为Ｔａｙｌｏｒ级数形式,通过有效地截取其部分项,推导出基于“弦”胎体理论的轮胎稳态转偏模型。最后还将无量纲的非稳态转偏模型简化为有理分式的一般形式。所得模型可用于拖拉机和汽车的动力学分析和转向性能研究。     

软路面—车辆系统振动分析

该文建立了软路面——车辆系统的扭转振动、垂直振动和纵向振动耦合的动力学模型，并把路面不平度、发动机角速度和牵引负荷作为三个激励引入到传动系扭振的多分支系统中。推导出车辆振动的频响函数、振动响应的功率谱密度和振动响应均方根值的计算公式，并通过试验验证了该模型的可信性