CN106741160B - 一种无人车离合器转向机转向系统的工作方法 - Google Patents

一种无人车离合器转向机转向系统的工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无人车离合器转向机转向系统的工作方法，包括以下步骤：整车控制器通过CAN网将整车状态和转向控制指令传递到转向控制器；转向控制器根据整车控制器下发的车辆当前状态，判断整车状态是否为0x06即AMT挂挡进行车辆起步并转入相应控制状态的起步子状态，且车辆不在3‑30度坡道路段；转向控制器根据整车控制器下发的转向轴期望位置，通过转向控制指令对伺服液压缸及转向轴进行控制。本发明所公开的基于液压伺服驱动的无人车离合器转向机转向系统的工作方法，通过控制PID参数调整系统控制的精确性，具有良好的动态响应特性，可以满足自主转向运动的需要。

Description

一种无人车离合器转向机转向系统的工作方法
技术领域
本发明涉及液压伺服控制技术领域，尤其涉及一种基于液压伺服驱动的无人车离合器转向机转向系统的工作方法。
背景技术
电液伺服控制系统是最基本和最常用的一种液压伺服系统，它具有控制精度高、响应快、输出功率大、信号处理灵活和易于实现各种参量的反馈等优点，在机床工作台的位置、飞机和船舶的舵机控制、雷达火炮控制系统以及振动试验台的国民经济和军事工业各个技术领域都有普遍应用。
通过电液伺服阀控制伺服液压缸是电液伺服控制系统中很重要的组成部分，其动态特性对整个系统的性能起决定性的作用，所以在充分分析液压伺服系统的控制特性的基础上进行动态特性的推导和建模是研究关键。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于液压伺服驱动的无人车离合器转向机转向系统的工作方法，用以解决现有现有技术存在的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种无人车离合器转向机转向系统的工作方法，所述系统包括转向油源系统、转向控制器、转向驱动器、液压伺服驱动转向操纵机构；
所述液压伺服驱动转向操纵机构包括液压动力装置和转向执行装置；
所述液压动力装置包括电液伺服阀、伺服液压缸；
所述转向执行装置包括转向操纵杆、转向轴和角位移传感器；
所述转向控制器与转向油源系统、转向驱动器之间通过电缆连接；
所述转向驱动器与液压动力装置之间通过电缆连接；
转向油源系统和液压动力装置之间通过液压伺服驱动油路连接；
所述液压动力装置与转向执行装置之间为机械连接；
其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：整车控制器通过CAN网将整车状态和转向控制指令传递到转向控制器；
步骤S2：转向控制器根据整车控制器下发的车辆当前状态，判断整车状态是否为0x06即AMT挂挡进行车辆起步并转入相应控制状态的起步子状态，且车辆不在3-30度坡道路段；
步骤S3：转向控制器根据整车控制器下发的转向轴期望位置，通过转向控制指令对伺服液压缸及转向轴进行控制。
进一步地，所述步骤S3还包括以下子步骤：
步骤S301：转向控制器判断整车控制器下发的转向轴期望位置为制动位置、结合位置还是其他位置；
步骤S302：转向控制器将整车控制器下发的转向控制指令转换为具体控制指令后传递到伺服放大器；
步骤S303：伺服放大器将转向控制器发送的具体转向控制指令进行放大并发送给电液伺服阀；
步骤S304：电液伺服阀通过放大后的具体转向控制指令对伺服液压缸及转向轴进行控制。
优选地，根据负载的最佳匹配原则，用近似计算的方法由伺服液压缸负载的最大功率点所对应的最大负载力确定电液伺服阀的规格尺寸。
进一步地，所述转向控制器用于完成转向控制指令的发送和位置传感信号的接收，在内部进行运算和完成各种控制过程，并通过电缆将驱动信号发送至转向驱动器驱动液压伺服驱动转向操纵机构。
进一步地，转向控制器根据整车控制器下发的转向控制指令，通过电液伺服阀的驱动电流大小分别控制两侧伺服液压缸活塞杆伸缩，从而控制转向轴位置。
进一步地，电液伺服阀将机械信号转化为液压信号，通过压力油传递到伺服液压缸，使伺服液压缸动作，输出转向执行装置角位移，同时，控制左侧或右侧转向离合器，实现转向。
电液伺服阀对伺服液压缸及转向轴进行控制，角位移传感器将转向轴的实际位置反馈至整车控制器。
在转向操纵杆锁定的情况下，控制单侧伺服液压缸活塞杆伸缩、转向离合器分离和制动器结合，实现转向；控制两个伺服液压缸活塞杆同时伸缩，左右制动器结合，实现制动；
在转向操纵杆未锁定的情况下，切断进出伺服液压缸的液压伺服驱动油路，液压伺服驱动转向操纵机构转换为人工操纵模式，实现手动转向操纵。
当转向轴期望位置为制动位置时，控制电液伺服阀驱动电流为正向最大，转向轴快速到制动位置；
当转向轴期望位置为结合位置时，在结合开始过程中采用PID算法闭环控制，根据转向轴实际位置与期望位置之差，当差值到达第一预设范围之内时以负向最大驱动电流快速结合，转向执行装置完全结合后液压锁关闭，电液伺服阀驱动电流为0；
当转向轴期望位置为其他位置时，全部采用PID算法的闭环控制，判断转向轴实际位置与期望位置之差是否在第二预设范围之内，偏差到第二预设范围后液压锁关闭，电液伺服阀驱动电流为0，转向轴维持原位。
本发明有益效果如下：
本发明所公开的基于液压伺服驱动的无人车离合器转向机转向系统的工作方法，通过控制PID参数调整系统控制的精确性，使基于液压伺服驱动的无人车离合器转向机转向系统具有良好的动态响应特性，可以满足无人车离合器转向机转向系统自主转向运动的需要。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为基于液压伺服驱动的转向闭环控制系统原理图；
图2为基于液压伺服驱动的无人车转向轴控制算法流程图；
图3为液压伺服驱动转向操纵机构示意图。
3-1：角位移传感器；3-2：转向轴；3-3：转向横轴拉杆臂；
3-4：转向倾斜拉杆；3-5：中间轴拉杆臂；
3-6：伺服液压缸；3-7：连接液压油路；
3-8：转向操纵杆；3-9：锁紧装置。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
根据本发明的一个实施例，提供了一种基于液压伺服驱动的无人车转向机转向系统的工作方法，所述无人车离合器转向机转向系统包括：转向油源系统、转向控制器、转向驱动器、液压伺服驱动转向操纵机构；
所述液压伺服驱动转向操纵机构包括液压动力装置和转向执行装置；
所述液压动力装置包括电液伺服阀、伺服液压缸；
所述转向执行装置包括转向操纵杆、转向轴、角位移传感器；
所述转向控制器与转向油源系统、转向驱动器之间通过电缆连接；
所述转向驱动器与液压动力装置之间通过电缆连接；
转向油源系统和液压动力装置之间通过液压伺服驱动油路连接；
所述液压动力装置与转向执行装置之间为机械连接。
所述工作方法包括以下步骤：
步骤S1：整车控制器通过CAN网将整车状态和转向控制指令传递到转向控制器。
具体地，所述转向控制器包括输入处理电路、微处理器、输出处理电路、系统通信电路及电源电路，是整个无人车离合器转向机转向系统的核心部件，用于完成转向控制指令的发送和位置传感信号的接收，在内部进行运算和完成各种控制过程，并通过电缆将驱动信号发送至转向驱动器驱动液压伺服驱动转向操纵机构。
步骤S2：转向控制器根据整车控制器下发的车辆当前状态，判断整车状态是否为0x06即AMT挂挡进行车辆起步并转入相应控制状态的起步子状态，且车辆不在3-30度坡道路段。
步骤S3：转向控制器根据整车控制器下发的转向轴期望位置，通过转向控制指令对伺服液压缸及转向轴进行控制。
具体地，所述步骤S3还包括以下子步骤：
步骤S301：转向控制器判断整车控制器下发的转向轴期望位置为制动位置、结合位置还是其他位置；
具体地，根据转向离合器在转向过程中的四种工况位置：部分分离、完全分离、部分制动、完全制动，将转向轴位置判断分为三种状态：制动位置、结合位置和其他位置。
步骤S302：转向控制器将整车控制器下发的转向控制指令转换为具体控制指令后传递到伺服放大器；
步骤S303：伺服放大器将转向控制器发送的具体转向控制指令进行放大并发送给电液伺服阀；
步骤S304：电液伺服阀通过放大后的具体转向控制指令对伺服液压缸及转向轴进行控制。
电液伺服阀对伺服液压缸进行控制，可实现手动操纵和电控操纵的自由切换、对转向轴的快速驱动以及伺服液压缸活塞杆工作行程和响应速度的精确控制；
具体地，在转向操纵杆锁定的情况下，控制单侧伺服液压缸活塞杆伸缩、转向离合器分离和制动器结合，实现转向；控制两个伺服液压缸活塞杆同时伸缩，左右制动器结合，实现制动；
在转向操纵杆未锁定的情况下，切断进出伺服液压缸的液压伺服驱动油路，液压伺服驱动转向操纵机构转换为人工操纵模式，伺服液压缸及活塞杆相当于一根刚性杆，实现手动转向操纵。
无人车离合器转向机转向系统还包括固态继电器，转向控制器通过控制固态继电器实现对两个二位四通电磁换向阀的控制，两个二位四通电磁换向阀作为液压锁控制液压伺服驱动油路的通断，避免电液伺服阀的通断对无人车离合器转向机转向系统的影响，保证系统安全性；
具体地，固态继电器通电，二位四通电磁换向阀通电，液压锁打开，进入到伺服阀和液压缸的液压伺服驱动油路导通，液压伺服驱动转向操纵机构为电控操纵模式；固态继电器断电，二位四通电磁换向阀断电，液压锁关闭，进入电液伺服阀和伺服液压缸的液压伺服驱动油路断开，液压伺服驱动转向操纵机构转换为人工操纵模式；当液压伺服驱动油路处于断开状态时，液压缸的位置能够完全保持，避免电液伺服阀阀芯零偏产生泄露对液压缸位置保持所带来的影响。
优选地，选取FF102W-15电液伺服阀，主要技术参数和性能参数为：
额定供油压力Ps＝21MPa，额定流量15L/min，额定驱动电流10mA；
上述参数是通过以下方法获得的：
无人车离合器转向机转向系统的负载为伺服液压缸运动时遇到的阻力，即伺服液压缸所需驱动的对象转向轴和转向离合器，包括整个无人车离合器转向机转向系统本身的静态负载、伺服液压缸活塞杆运动的惯性负载和粘性阻尼负载，伺服液压缸需要提供一定的力和速度来驱动负载。
根据负载的最佳匹配原则，用近似计算的方法由伺服液压缸负载的最大功率点所对应的最大负载力确定电液伺服阀的规格尺寸。
伺服液压缸的负载力为
式中F——作用于伺服液压缸上的外负载力，即包括转向操纵时经转向操纵连杆机构传递的弹性力和各构件间的摩擦力等效转换至活塞杆上的作用力；
xp——伺服液压缸活塞杆位移；
m——包括活塞杆及转向操纵各构件等效转换至活塞杆的总质量，设m＝10kg；
Bp——活塞杆及负载等效转换至活塞杆上的粘性系数，由于粘性系数一般较小，可以忽略不计；
F0——静态负载力，根据弹簧测力装置测得液压缸静态最大负载力为2100N。
由此可知只需计算伺服液压缸的惯性负载力，假设伺服液压缸活塞杆带动转向操纵中间轴拉杆臂的单向运动过程为匀加速、匀速和匀减速，根据实际情况假设液压缸单向伸缩的最大响应时间为0.5s，转向操纵机构纵拉杆单向运动平移最大距离为0.08m。
匀加速和匀减速阶段的运动时间假设各为最大响应时间的5％：
t1＝t3＝0.025s
由此可得到伺服液压缸伸缩杆可达到的最大运动速度为
vmax＝at1＝0.025a (3-2)
同时根据匀速阶段伸缩杆保持最大运动速度运动，也可列出
联立上式(2-2)和(2-3)可求得匀加速和匀减速阶段的加速度为
a＝6.74m/s2
伺服液压缸运动的最大速度为
vmax＝at1＝0.025×6.74＝0.1685m/s
由此求得惯性负载力
忽略伺服液压缸的粘性负载力，总的负载力最大为
Fmax＝2100+67.4＝2167.4N
因此伺服液压缸负载的最大功率为
Pmax＝Fmax×vmax＝2167.4×0.1685＝365N·m/s
限定电液伺服阀的负载压力，并认为负载力同时存在为最大值，可计算得伺服液压缸的有效面积为
又考虑到伺服液压缸的最大负载力应出现在伺服液压缸活塞缸收缩的运动过程中，所以上述求出的伺服液压缸有效面积为有杆腔面积，
式中D——伺服液压缸缸筒内径；
d——伺服液压缸活塞杆直径；
m——经验结构系数，取m＝0.56，
可计算出
d＝mD＝0.56×24.55＝13.75mm
圆整后取D＝25mm，d＝14mm，圆整后伺服液压缸的有效面积为
根据计算出来的伺服液压缸有效面积，按最大负载速度vmax确定电液伺服阀空载流量，并认为最大负载速度和最大负载力同时出现，且考虑到泄露补偿，取效率η＝0.95，则电液伺服阀空载流量为
所述液压伺服驱动转向操纵机构简单可行，方便加工安装，适应履带车辆的恶劣工作环境。
所述电液伺服阀和伺服液压缸构成液压动力装置，其所需的流量和压力由转向油源系统提供；
进一步地，所述转向油源系统包括辅机油源和溢流阀，对液压动力装置的压力、油温、污染度等进行有效的控制，辅机油源通过溢流阀设定以恒压10MPa向液压动力装置供给压力油，低压回油由液压动力装置流回辅机油源；
如图1所示，电液伺服阀对伺服液压缸及转向轴进行控制，角位移传感器将转向轴的旋转角度反馈至整车控制器；
优选地，如图3所示，将角位移传感器安装在转向执行装置转向轴两侧，通过测量转向轴的旋转角度判断离合器的工作位置和伺服液压缸活塞杆的运动情况；
转向时，电液伺服阀将液压伺服驱动信号转化为液压信号，压力油传递到伺服液压缸，使伺服液压缸动作，输出转向执行装置角位移，同时，控制左侧或右侧转向离合器，实现转向；
图2为基于液压伺服驱动的无人车转向轴控制算法流程图；
当转向轴期望位置为制动位置时，为保证两侧主动轮的快速抱死，控制电液伺服阀驱动电流为正向最大，转向轴快速到制动位置；
具体地，转向控制器根据整车控制器下发的转向控制指令，通过电液伺服阀的驱动电流大小分别控制两侧伺服液压缸活塞杆伸缩控制转向轴位置，驱动电流的控制范围为-10mA～10mA，-10mA为负向最大电流，10mA为正向最大电流；
当转向轴期望位置为结合位置时，在结合开始过程中采用PID算法闭环控制，根据转向轴实际角度和期望角度之差，当差值到达一定范围之内时以负向最大驱动电流快速结合，转向执行装置完全结合后液压锁关闭，电液伺服阀驱动电流为0；
具体地，当转向轴期望位置为结合位置时，为保证主动轮不会结合过快导致发动机熄火，在结合开始过程中采用PID算法闭环控制，根据转向轴实际位置与期望位置之差，当差值到达一定范围9之内时以负向最大驱动电流快速结合，判断转向轴实际位置与期望位置之差是否到3，偏差在3之内定时器累加控制100ms以负向最大驱动电流使转向轴快速运动到位，100ms后液压锁关闭，电液伺服阀驱动电流为0；
其中，所述9为9个传感器单位，所述3为3个传感器单位，0-255表示0-90度的区间，一个传感器单位表示0.353度；
当转向轴期望位置为其他位置时，全部采用PID算法的闭环控制保证转向轴位置的精确控制，判断转向轴实际位置与期望位置之差是否在3之内，偏差到3后液压锁关闭，电液伺服阀驱动电流为0，转向轴维持在原位；
优选地，由于转向轴伸缩惯性和控制位置准确性难度较大，在转向操纵闭环系统中应用PID控制算法在转向轴实际位置与目标位置产生较小偏差时对转向轴角度进行偏差纠正，在提高系统的响应速度和保证转向轴位置较精确控制的同时，也避免液压伺服驱动转向操纵机构的控制产生震荡。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于液压伺服驱动的无人车离合器转向机转向系统的工作方法，以离合器转向操纵机构控制为研究对象，设计液压伺服控制系统的液压伺服驱动油路，用于控制转向执行装置的动作位置，并按照控制指令进行相应的转向操作。为准确控制液压伺服系统转向操纵机构的精确位置，设计转向轴位置闭环控制算法，从而为液压伺服驱动的无人车离合器转向机转向系统提供了实现依据。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人车离合器转向机转向系统的工作方法，所述系统包括转向油源系统、转向控制器、转向驱动器、液压伺服驱动转向操纵机构；
所述液压伺服驱动转向操纵机构包括液压动力装置和转向执行装置；
所述液压动力装置包括电液伺服阀、伺服液压缸；
所述转向执行装置包括转向操纵杆、转向轴和角位移传感器；
所述转向控制器与转向油源系统、转向驱动器之间通过电缆连接；
所述转向驱动器与液压动力装置之间通过电缆连接；
转向油源系统和液压动力装置之间通过液压伺服驱动油路连接；
所述液压动力装置与转向执行装置之间为机械连接；
其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：整车控制器通过CAN网将整车状态和转向控制指令传递到转向控制器；
步骤S2：转向控制器根据整车控制器下发的车辆当前状态，判断整车状态是否为0x06即AMT挂挡进行车辆起步并转入相应控制状态的起步子状态，且车辆不在3-30度坡道路段；
步骤S3：转向控制器根据整车控制器下发的转向轴期望位置，通过转向控制指令对伺服液压缸及转向轴进行控制；
所述步骤S3还包括以下子步骤：
步骤S301：转向控制器判断整车控制器下发的转向轴期望位置为制动位置、结合位置还是其他位置；
步骤S302：转向控制器将整车控制器下发的转向控制指令转换为具体转向控制指令后传递到伺服放大器；
步骤S303：伺服放大器将转向控制器发送的具体转向控制指令进行放大并发送给电液伺服阀；
步骤S304：电液伺服阀通过放大后的具体转向控制指令对伺服液压缸及转向轴进行控制；
当转向轴期望位置为制动位置时，控制电液伺服阀驱动电流为正向最大，转向轴快速到制动位置；
当转向轴期望位置为结合位置时，在结合开始过程中采用PID算法闭环控制，根据转向轴实际位置与期望位置之差，当差值到达9个角位移传感器单位范围之内时以负向最大驱动电流使转向轴快速结合，判断转向轴实际位置与期望位置之差是否在3个角位移传感器单位之内，若是，则定时器累加控制100ms以负向最大驱动电流使转向轴快速结合，转向执行装置完全结合后液压锁关闭，电液伺服阀驱动电流为0；
当转向轴期望位置为其他位置时，全部采用PID算法的闭环控制，判断转向轴实际位置与期望位置之差是否在3个角位移传感器单位范围之内，若是，液压锁关闭，电液伺服阀驱动电流为0，转向轴维持原位；
其中，一个角位移传感器单位表示0.353度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据负载的最佳匹配原则，用近似计算的方法由伺服液压缸负载的最大功率点所对应的最大负载力确定电液伺服阀的规格尺寸。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述转向控制器用于完成转向控制指令的发送和位置传感信号的接收，在内部进行运算和完成各种控制过程，并通过电缆将驱动信号发送至转向驱动器驱动液压伺服驱动转向操纵机构。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，转向控制器根据整车控制器下发的转向控制指令，通过电液伺服阀的驱动电流大小分别控制两侧伺服液压缸活塞杆伸缩，从而控制转向轴位置。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，电液伺服阀将机械信号转化为液压信号，通过压力油传递到伺服液压缸，使伺服液压缸动作，输出转向执行装置角位移，同时，控制左侧或右侧转向离合器，实现转向。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，电液伺服阀对伺服液压缸及转向轴进行控制，角位移传感器将转向轴的实际位置反馈至整车控制器。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在转向操纵杆锁定的情况下，控制单侧伺服液压缸活塞杆伸缩、转向离合器分离和制动器结合，实现转向；控制两个伺服液压缸活塞杆同时伸缩，左右制动器结合，实现制动；
在转向操纵杆未锁定的情况下，切断进出伺服液压缸的液压伺服驱动油路，液压伺服驱动转向操纵机构转换为人工操纵模式，实现手动转向操纵。
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