CN109878579B - 一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统，包括：车辆数据采集部分，用于采集铰接车辆前后车身姿态参数、运动参数的传感器、用于测量转向角的编码器、用于车辆测速的编码器；数据处理与控制输出部分，建立的车辆动力学模型简化选取四个自由度：整车的侧向位移、前车体的横摆角速度、后车体的横摆角速度、整车的侧倾角，微处理器以整车模型为基础，对传感器数据进行处理，估计状态参数输出控制信号；控制力矩陀螺平衡机构，由两个纵向布置的单框架控制力矩陀螺作为执行机构，两个单框架控制力矩陀螺机构的摆动角速度大小相等，方向相反，平衡力矩相互叠加，而与平衡力矩方向相垂直的干扰力矩，方向相反，相互抵消。

Description

一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统

技术领域

本发明涉及工程车辆主动安全控制领域，尤其涉及一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统。

背景技术

国内自改革开放以来，开展了大范围的基础设施建设，涵盖航空、铁路、港口、公共设施、商业设施等各个方面。在此背景下，工程车辆的数量与日俱增，中国成为了工程车辆的制造与使用大国，工程车辆作业过程中的安全和管理问题也变得愈加重要。

铰接车辆具有以下特性：(1)具有铰接转向机构，转向半径小。(2)具有摆动后桥机构(3)车身与底盘无悬架刚性连接。

铰接转向工程车辆的以上特点降低了其稳定性，摆动后桥机构使铰接转向工程在作业过程中易受地形地貌突变影响，产生摆振，降低车辆的侧向稳定性。同时，铰接转向工程车辆在作业时，由于工作装置的举升和前后车架的扭转，会使铰接转向工程车辆重心产生较大变化。Robert M.Clarke对美国的各种工程车辆事故统计数据进行分析发现，侧倾翻事故占总事故的56.7％。

由于铰接转向工程车辆大多用在施工现场，受众群体较低，所以，目前关于铰接转向工程车辆的失稳机理及主动安全控制方面的研究成果较少，对车辆侧倾稳定性的研究主要集中在以乘用车和重型货车为代表的公路车辆上面。

20世纪70年代，Gibson等人研究了四轮驱动的铰接式车辆在斜坡上低速行驶的稳定性能。他们以车辆两个后轮的接地点及前轴销位置为参考点，定义了车辆的三角稳定区域。基于这一失稳指标，计算出车辆在斜坡转向过程中，不同转向角的情况下车辆发生侧翻的最小斜坡角度，并将其定义为最低稳定点。密西根大学的Bo-Chiuan Chen提出一套基于倾翻时间的动态倾翻预警算法，可以动态地记录下从当前时刻到倾翻发生时刻的预测时间。

目前的铰接转向工程车辆主动安全控制系统都不包含附加的主动防侧翻执行机构，铰接车辆的安全控制方式目前包括半主动悬架控制、主动悬架控制、主动转向控制、差动制动控制、悬架与转向联合控制摆动桥控制等。

发明内容

本发明索要姐姐的主要技术问题是提供一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统，结合了预警算法与力矩控制陀螺，控制响应迅速、控制力矩大，极大地增强了铰接轮式装载车辆在临界失稳状态下的可控性。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统，所述铰接车辆分为前车体、后车体和后桥；所述主动安全控制系统包括：

车辆数据采集部分，包括用于采集前车体和后车体的姿态参数、运动参数的传感器、用于测量前车体和后车体铰接处转向角的传感器、用于车辆测速的传感器；

数据处理与控制输出部分，其中的微处理器选取四个自由度，建立系统的运动微分方程，并以车辆数据采集部分收集的数据做为运动微分方程的输入，建立LMI状态反馈鲁棒控制器；所述四个自由度为：整车的侧向位移y、前车体的横摆角速度、后车体的横摆角速度、整车的侧倾角

控制力矩陀螺平衡机构，由两个纵向布置的单框架控制力矩陀螺机构作为执行机构，两个单框架控制力矩陀螺机构的陀螺转子转速相等、方向相反，框架摆动角速度大小相等、方向相反，平衡力矩相互叠加，而与平衡力矩方向相垂直的干扰力矩，方向相反，相互抵消；

微处理以侧倾预警时间TTR为触发信号，当微处理器判断载体平台发生侧倾失稳时，鲁棒控制器发送指令作用于控制力矩陀螺组的摆动舵机，舵机通过齿轮传动带动两个单框架控制力矩陀螺机构进行摆动，产生进动平衡力矩，调整载体平台姿态，使载体平台重新回到平衡状态。

在一较佳实施例中：所述前车体包括前桥和工作装置。

在一较佳实施例中：所述用于采集前车体和后车体的姿态参数、运动参数的传感器为安装在前车体和后车体的电子陀螺仪，其获取前车体和后车体的侧向加速度、横摆角速度、侧倾角、侧倾角速度。

在一较佳实施例中：所述用于测量前车体和后车体铰接处转向角的传感器为与铰接处转轴配合的编码器。

在一较佳实施例中：所述用于车辆测速的传感器为与后车身轮轴配合的编码器。

在一较佳实施例中：所述控制力矩陀螺平衡机构包括电位器、摆动舵机、传动齿轮和两个单框架控制力矩陀螺机构；

所述单框架控制力矩陀螺机构包括直流无刷电机、电机安装板、惯性飞轮、惯性飞轮框架、上轴承、下轴承、上法兰轴套、下法兰轴套、大齿轮、大齿轮轴、框架轴；所述直流无刷电机通过电机安装板固定在惯性飞轮框架的上部，惯性飞轮通过螺栓与上下两个法兰轴套的法兰盘连接，法兰轴套的轴端与固定在惯性飞轮框架上的上下轴承过盈配合，上法兰轴套与直流无刷电机的伸出轴连接，且通过周向紧定螺丝锁紧；惯性飞轮框架两边分别有大齿轮轴和框架轴，并且通过轴承分别安装在外壳箱体上；大齿轮安装在大齿轮轴上，通过轴肩和弹簧挡圈进行轴向固定。

在一较佳实施例中：所述两个单框架控制力矩陀螺机构通过齿轮啮合传动。

在一较佳实施例中：所述惯性飞轮质量与惯量相等，由直流无刷电机驱动。

在一较佳实施例中：其中一个所述单框架控制力矩陀螺机构的轴端安装有电位器，用于测量该单框架控制力矩陀螺机构摆动的角度。

在一较佳实施例中：还包括外壳箱体，所述电位器、摆动舵机、传动齿轮和两个单框架控制力矩陀螺机构封装在箱体内。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提供的一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统，相对于传统的基于制动、差速、转向控制的主动安全控制系统，该系统结合了预警算法与力矩控制陀螺，控制响应迅速、控制力矩大，极大地增强了铰接轮式装载车辆在临界失稳状态下的可控性。

附图说明

图1是本发明所述的控制力矩陀螺平衡机构外形图；

图2是本发明所述的控制力矩陀螺平衡机构内部结构示意图；

图3是本发明所述铰接车辆侧倾动力学模型简图；

图4是本发明所述的基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统的硬件结构图；

图5是本发明所述的基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统的总体结构图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步说明。

为保证主动安全控制系统控制时效性，本实施例对铰接车辆侧翻动力学模型做几点简化：

1)忽略车辆在俯仰和纵向方向动力学特性对侧翻运动的影响；

2)假设所有的轮胎的半径都是一样的，并且他们具有相同的轮胎特性；

3)忽略轮胎的非线性因素，假设左右车轮动力学关于纵向轴是对称的；

4)忽略空气阻力的作用。

参考图3-图5，一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统，所述铰接车辆分为前车体、后车体和后桥；所述前车体包括前桥和工作装置。

所述主动安全控制系统包括：

车辆数据采集部分，包括用于采集前车体和后车体的姿态参数、运动参数的传感器、用于测量前车体和后车体铰接处转向角的传感器、用于车辆测速的传感器；

数据处理与控制输出部分，其中的微处理器选取四个自由度，建立系统的运动微分方程，并以车辆数据采集部分收集的数据做为运动微分方程的输入，建立LMI状态反馈鲁棒控制器；所述四个自由度为：整车的侧向位移y、前车体的横摆角速度、后车体的横摆角速度、整车的侧倾角

控制力矩陀螺平衡机构，由两个纵向布置的单框架控制力矩陀螺机构作为执行机构，两个单框架控制力矩陀螺机构的陀螺转子转速相等、方向相反，框架摆动角速度大小相等、方向相反，平衡力矩相互叠加，而与平衡力矩方向相垂直的干扰力矩，方向相反，相互抵消；

微处理器以侧倾预警时间TTR为触发信号，TTR计算公式为：

式中：

为车辆侧倾角阈值 ，由汽车自身参数计算得到，一般定义一侧车轮与地面作用力为0时的侧倾角作为侧倾阈值 ；

为当前侧倾角；

为当前侧倾角速度；

当前侧倾角加速度；Tcn为预测侧翻时间。

求解Tcn：

当Tcn(预测侧翻时间值)<Tup(侧翻时间阈值 )时，即判断车辆将在门限阈值 Tup内发生侧翻失稳，其中侧翻预警门限值设置Tup设置为3s。

当微处理器判断载体平台在设定门限值Tup内发生侧倾失稳时，鲁棒控制器发送指令作用于控制力矩陀螺组的摆动舵机，舵机通过齿轮传动带动两个单框架控制力矩陀螺机构进行摆动，产生进动平衡力矩，调整载体平台姿态，使载体平台重新回到平衡状态。

所述用于采集前车体和后车体的姿态参数、运动参数的传感器为安装在前车体和后车体的电子陀螺仪，其获取前车体和后车体的侧向加速度、横摆角速度、侧倾角、侧倾角速度等。

所述用于测量前车体和后车体铰接处转向角的传感器为与铰接处转轴配合的编码器。

所述用于车辆测速的传感器为与后车身轮轴配合的编码器。

所述控制力矩陀螺平衡机构包括：外壳箱体1、箱体盖板2、电位器3、线缆出口4、箱体安装孔5、摆动舵机机构、传动齿轮和两个单框架控制力矩陀螺机构。

其中摆动舵机机构包括小齿轮6、舵机8、舵机安装板7。

舵机8通过舵机安装板安装在箱体底座上，小齿轮安装在舵机8的轴端。

单框架控制力矩陀螺机构都包括直流无刷电机12、电机安装板13、惯性飞轮17、惯性飞轮框架14、框架轴16、上下轴承18、上下法兰轴套15、大齿轮9、大齿轮轴11。

直流无刷电机12通过电机安装板13固定在惯性飞轮框架14的上部。惯性飞轮17通过螺栓与上下两个法兰轴套15的法兰盘连接，法兰轴套的轴端与固定在惯性飞轮框架上的上下轴承18过盈配合。

上法兰轴套15与直流无刷电机12的伸出轴连接，且通过周向紧定螺丝锁紧。惯性飞轮框架两边分别有大齿轮轴11和框架轴16，并且通过轴承10分别安装在外壳箱体1上。大齿轮9安装在大齿轮轴11上，通过轴肩和弹簧挡圈进行轴向固定。

摆动舵机机构的小齿轮6与第一个单框架控制力矩陀螺机构的大齿轮9啮合。两个单框架控制力矩陀螺机构的大齿轮9几何参数一致、保持互相啮合。

舵机8通过执行预定角速度、角度指令进行摆动，通过齿轮啮合传动带动两个单框架控制力矩陀螺机构进行摆动，两个单框架控制力矩陀螺机构的摆动角速度大小相等，方向相反。

同时，两个惯性飞轮在各自的直流无刷电机的带动下做高速旋转运动，其转速相等，方向相反。

利用陀螺的进动效应，产生平衡力矩，且两个单框架控制力矩陀螺的平衡力矩相互叠加后，有效平衡力矩成倍增加，而与平衡力矩方向相垂直的干扰力矩大小相等，方向相反，相互抵消，对系统无额外干扰。

所述的两个单框架控制力矩陀螺机构，在其中一个单框架控制力矩陀螺机构的轴端安装有电位器3，用于测量单框架控制力矩陀螺机构的摆动角度。

所述的一种基于单框架控制力矩陀螺的动态可调平衡机构，在外壳箱体1 的底部设置有线缆孔4，其箱体内部的单框架控制力矩陀螺模块的无刷电机的线缆、舵机的线缆和电位器的线缆由此引出。

摆动舵机机构、单框架控制力矩陀螺机构以及其他附件封装在外壳箱体1 内，可以方便快速的安装在铰接车辆平台上。

所述指令以PWM信号形式传输至陀螺力矩控制器驱动电机、摆动舵机机构的舵机8。电子调速器1、电子调速器2分别控制驱动电机1、驱动电机2的转速。驱动电机1、驱动电机2分别控制上下陀螺转子，驱动转子达到特定转速，两电机转速大小相等，转向相反。

以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的范围不限于此，本领域的技术人员可以容易地想到本发明所公开的变化或技术范围。替代方案旨在涵盖在本发明的范围内。因此，本发明的保护范围应由权利要求的范围确定。

Claims (10)

1.一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统，其特征在于所述铰接车辆分为前车体、后车体和后桥；所述主动安全控制系统包括：

车辆数据采集部分，包括用于采集前车体和后车体的姿态参数、运动参数的传感器、用于测量前车体和后车体铰接处转向角的传感器、用于车辆测速的传感器；

数据处理与控制输出部分，其中的微处理器选取四个自由度，建立系统的运动微分方程，并以车辆数据采集部分收集的数据做为运动微分方程的输入，建立LMI状态反馈鲁棒控制器；所述四个自由度为：整车的侧向位移y、前车体的横摆角速度、后车体的横摆角速度、整车的侧倾角

控制力矩陀螺平衡机构，由两个纵向布置的单框架控制力矩陀螺机构作为执行机构，两个单框架控制力矩陀螺机构的陀螺转子转速相等、方向相反，框架摆动角速度大小相等、方向相反，平衡力矩相互叠加，而与平衡力矩方向相垂直的干扰力矩，方向相反，相互抵消；

微处理器以侧倾预警时间TTR为触发信号，当微处理器判断载体平台发生侧倾失稳时，鲁棒控制器发送指令作用于控制力矩陀螺平衡机构的摆动舵机，舵机通过齿轮传动带动两个单框架控制力矩陀螺机构进行摆动，产生进动平衡力矩，调整载体平台姿态，使载体平台重新回到平衡状态。

2.如权利要求1所述的一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统，其特征在于：所述前车体包括前桥和工作装置。

3.如权利要求1所述的一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统，其特征在于：所述用于采集前车体和后车体的姿态参数、运动参数的传感器为安装在前车体和后车体的电子陀螺仪，其获取前车体和后车体的侧向加速度、横摆角速度、侧倾角、侧倾角速度。

4.如权利要求1所述的一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统，其特征在于：所述用于测量前车体和后车体铰接处转向角的传感器为与铰接处转轴配合的编码器。

5.如权利要求1所述的一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统，其特征在于：所述用于车辆测速的传感器为与后车身轮轴配合的编码器。

6.如权利要求1所述的一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统，其特征在于：所述控制力矩陀螺平衡机构包括电位器、摆动舵机、传动齿轮和两个单框架控制力矩陀螺机构；

所述单框架控制力矩陀螺机构包括直流无刷电机、电机安装板、惯性飞轮、惯性飞轮框架、上轴承、下轴承、上法兰轴套、下法兰轴套、大齿轮、大齿轮轴、框架轴；所述直流无刷电机通过电机安装板固定在惯性飞轮框架的上部，惯性飞轮通过螺栓与上下两个法兰轴套的法兰盘连接，法兰轴套的轴端与固定在惯性飞轮框架上的上下轴承过盈配合，上法兰轴套与直流无刷电机的伸出轴连接，且通过周向紧定螺丝锁紧；惯性飞轮框架两边分别有大齿轮轴和框架轴，并且通过轴承分别安装在外壳箱体上；大齿轮安装在大齿轮轴上，通过轴肩和弹簧挡圈进行轴向固定。

7.如权利要求6所述的一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统，其特征在于：所述两个单框架控制力矩陀螺机构通过齿轮啮合传动。

8.如权利要求7所述的一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统，其特征在于：所述惯性飞轮质量与惯量相适配，由直流无刷电机驱动。

9.如权利要求8所述的一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统，其特征在于：其中一个所述单框架控制力矩陀螺机构的轴端安装有电位器，用于测量该单框架控制力矩陀螺机构摆动的角度。

10.如权利要求9所述的一种基于控制力矩陀螺的铰接车辆主动安全控制系统，其特征在于：还包括外壳箱体，所述电位器、摆动舵机、传动齿轮和两个单框架控制力矩陀螺机构封装在箱体内。

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