CN113401233A - 拖拉机极限态回稳与作业态补偿陀螺主动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及拖拉机主动安全技术领域，尤其涉及基于双框架控制力矩陀螺主动调控的丘陵山地拖拉机极限态回稳与作业态补偿控制系统及方法。通过电机驱动陀螺转子高速旋转产生角动量，并在拖拉机失稳工况时，由力矩电机动作产生相应的外力矩改变高速陀螺转子的角动量方向，使高速陀螺转子进动产生供拖拉机回稳的反力矩，并经框架伺服机构及箱体传递至拖拉机主机体，以改善拖拉机失稳趋势，缓解机体横向偏载状态，确保驾驶员生命和农机装备安全，同时系统可通过高速旋转的陀螺转子减速释放能量，在整机牵引负载过大时进行功率补偿，保障丘陵山地拖拉机高质、高效作业。

Description

拖拉机极限态回稳与作业态补偿陀螺主动控制系统及方法

技术领域

本发明属于拖拉机主动安全技术和能量控制领域，尤其涉及一种基于双框架控制力矩陀螺主动调控的面向丘陵山地的拖拉机极限态回稳与作业态补偿陀螺主动控制系统及方法。

背景技术

拖拉机以牵引作业为核心功能，是农业生产活动中最常用的动力机械，在耕、耙、播、收、运等关键环节发挥着重要作用。在其诸多性能指标中，行驶安全性是保障农业生产顺利实施和驾驶员生命财产安全的基本条件。然而，在广泛分布的丘陵山地耕作区，其地表特征普遍表现为地块分散、地表崎岖、坡度交错、土质不一，复杂的生产环境和农艺标准要求拖拉机具有较高的离地间隙，使得整机在复杂路况和交变载荷的共同作用下易发生安全失稳。除由于机体迅速侧倾导致侧翻以外，当作业于横向斜坡的拖拉机处于大角度、缓慢侧倾态，或遇附着条件恶化时，往往先发生轮胎侧滑，由此衍生的整机单轴侧滑―横摆、双轴不等速侧滑―横摆、侧滑绊翻等耦合失稳现象对驾驶员人身安全亦构成极大威胁。由此可见，由拖拉机侧翻、侧滑及其衍生的侧滑绊翻和非意向横摆等行驶安全性问题已成为普遍性、长期性的世界难题，同时是阻碍丘陵山区农业生产机械化进程的瓶颈问题，尚未得到根本性解决。

拖拉机在丘陵山地环境下沿横向斜坡等高线作业过程中，整机处于侧倾常态，坡下侧轮胎的纵、侧、垂向受力恒大于坡上侧轮，导致整机牵引合力作用线相对机体纵向对称面向坡下侧偏置，在拖拉机重心处产生附加横摆力矩。驾驶员为保证直线行驶作业，需维持前轮保持向坡上侧的一定转角以平衡该力矩，因此前轮始终处于滑转―滑移耦合状态。此侧倾偏载作业常态使得拖拉机前后及两侧轮胎磨损异步，转向机构持续承载，且坡下侧轮辙处土壤剪切与压实效应严重，最终产生整机零件磨损加剧、操纵稳定性恶化、土壤结构破坏等不良效应。另一方面，在局部粘性土壤、板结土壤、石块及障碍物等突变环境载荷的干扰下，整机牵引阻力激增，小型拖拉机往往处于欠功率驱动状态，其峰值输出功率较难克服激增阻力而出现降速、停车等现象，需中断作业进行路径调整或寻求援助，导致作业效率下降、总成本升高。因此，除行驶安全性外的整机侧倾偏载和欠功率驱动等典型作业平稳性问题是并行影响丘陵山区耕地土壤环境、装备使用寿命及农业生产效能的重要因素。

以上在丘陵山区使用场景下的拖拉机行驶安全性和作业平稳性相关问题可归结为两类，即由环境路况对机体造成的力矩干扰和由小型拖拉机功率限制导致的瞬时动力欠缺。目前，针对丘陵山地拖拉机的安全行驶和高效作业目标，前人研究多集中在ROPS侧翻安全保护和底盘差高调平等方面。前者从被动安全角度出发，仅可为驾驶员提供整机侧翻后的生存空间，无法从本质上实时、有效地解决拖拉机侧翻问题。后者则以调平机身姿态为目标，根据操控实时性可分为主、被动两类。其中，机械式差高系统要求拖拉机在作业前即完成机身调平步骤并锁死系统，电控式(包括电动缸和液压缸驱动等型式)虽可通过全时姿态调整显著提高拖拉机的地形适应性，但对整机驱动系统结构改动较大，且较高的能耗需求进一步影响小型拖拉机的有效作业输出功率，在很大程度上限制了其驱动及牵引性能的发挥。因此，为拖拉机适时提供姿态纠正及偏载补偿力矩，并在整机牵引负载过大时进行功率补偿，是现阶段丘陵山地拖拉机高质、高效作业亟需突破的技术瓶颈。

发明内容

本发明立足丘陵山区农业生产对小型智能拖拉机的迫切需求，针对复杂环境路况和交变作业载荷叠加效应下的整机横向失稳、侧倾偏载作业和瞬时动力欠缺等突出问题，围绕拖拉机行驶安全性及作业平稳性提升的主要目标，构建了面向电动拖拉机载体的低功耗、多功能陀螺惯性调控系统。

本发明的第一个目的在于提供一种面向丘陵山地的拖拉机极限态回稳与作业态补偿陀螺主动控制系统，通过电机驱动陀螺转子高速旋转产生角动量，并在拖拉机失稳工况时，由力矩电机动作产生相应的外力矩改变高速陀螺转子的角动量方向，使高速陀螺转子进动产生供拖拉机回稳的反力矩，并经框架伺服机构及箱体传递至拖拉机主机体，以改善拖拉机失稳趋势，缓解机体横向偏载状态，确保驾驶员生命和农机装备安全，同时系统可通过高速旋转的陀螺转子减速释放能量，在整机牵引负载过大时进行功率补偿，保障丘陵山地拖拉机高质、高效作业。

本发明的第二个目的在于提供一种面向丘陵山地拖拉机极限态回稳与作业态补偿的陀螺主动控制方法，通过控制陀螺转子自旋速度、框架进动方向和角速度，充分利用陀螺进动效应和惯性储能潜力，实时、主动调控拖拉机的极限姿态和偏载状态，并适时、定量补偿整机峰值负载功率，可实现面向电动拖拉机极限态回稳和作业态补偿的低功耗与多功能目标。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种拖拉机极限态回稳与作业态补偿陀螺主动控制系统，包括陀螺转子装置I、传感器单元、电路组件12和控制单元11；所述陀螺转子装置I安装于拖拉机前端配重处。

所述陀螺转子装置I包括箱体6，以及设置在箱体6内部的框架伺服机构和高速转子机构。

所述高速转子机构包括陀螺房1、陀螺转子4和陀螺电机8；所述陀螺转子4呈圆盘状，圆心设有转轴，陀螺转子4的转轴通过转子支承轴承安装在陀螺房1上；所述陀螺电机8固接在陀螺房1上，陀螺电机8的动力输出轴与陀螺转子4的转轴固接；当陀螺转子4位于初始位置时，陀螺转子4的转轴的轴线与拖拉机的驱动轮的轴线平行；所述陀螺房1为密闭真空环境。

所述框架伺服机构包括内框架组件和外框架组件；所述内框架组件包括内框架2、内框架力矩电机5和内框架轴光电编码器10；所述外框架组件包括外框架9、外框架力矩电机7和外框架轴光电编码器3。

所述高速转子机构的陀螺房1固接在内框架2上；所述内框架2为一圆环，其环体上设有一对内框架轴，所述一对内框架轴位于第一轴线上，所述第一轴线过内框架环体圆心、且与陀螺转子4的转轴的轴线垂直；所述内框架2的内框架轴通过内框架支撑轴承安装在外框架9上；所述外框架9为一圆环，其环体上设有一对外框架轴，所述一对外框架轴位于第二轴线上，所述第二轴线过外框架环体圆心、且与陀螺转子4的转轴的轴线以及第一轴线垂直；所述第二轴线与拖拉机的前进方向平行；外框架9的外框架轴通过外框架支承轴承与所述箱体6连接。

所述内框架力矩电机5和内框架轴光电编码器10固接在外框架9上，并分别与内框架2的内框架轴连接；所述外框架力矩电机7和外框架轴光电编码器3固接在箱体6上，并分别与外框架9的外框架轴连接；所述内框架轴光电编码器10用于检测内框架轴相对于外框架9的角位置和角速度；所述外框架轴光电编码器3用于检测外框架轴相对于箱体6的角位置和角速度。

所述电路组件12包括能量转换电路、框架系统驱动电路和转子系统驱动电路；能量转换电路、框架系统驱动电路和转子系统驱动电路由拖拉机车载蓄电池13或外置辅助电源供电。

所述能量转换电路分别与控制单元11和陀螺电机8连接；根据控制单元11的信号，切换陀螺主动控制系统的工作状态，配合陀螺电机8执行充电储能或放电释能工作。

所述框架系统驱动电路分别与控制单元11、内框架力矩电机5和外框架力矩电机7连接；根据控制单元11的信号，通过驱动内框架2和外框架9运动，对陀螺转子4的进动角速度或力矩进行主动调控。

所述转子系统驱动电路分别与控制单元11和陀螺电机8连接，根据控制单元11的信号，对陀螺转子4的自旋速度进行主动调控。

所述传感器单元与控制单元11连接，传感器单元包括转速传感器、GPS定位仪和车轮六分力传感器；其中，所述转速传感器安装于陀螺房1与陀螺转子4的转轴连接处，用于检测陀螺转子4的转轴的转速；所述GPS定位仪安装于拖拉机主机体上，用于检测拖拉机实时车速；所述车轮六分力传感器安装于拖拉机各车轮上，用于检测车轮所受垂向力和侧向力。

所述传感器单元内所有传感器电信号传输为有线和无线传输中的至少一种。

所述陀螺电机8为电动-发电集成电机，能够用于驱动所述陀螺转子4将电能转换为转子高速运动的机械能，亦能够用于将所述陀螺转子4高速运动的机械能转换为电能输出。

所述陀螺房1为分离式壳体结构，通过螺栓和密封圈紧固，并通过真空组件将其内部抽至一定真空度后密封。

所述转子支承轴承为合金轴承、陶瓷轴承或磁悬浮轴承。

所述内框架支承轴承和外框架支承轴承均为调心滚子轴承。

一种利用所述的陀螺主动控制系统的拖拉机极限态回稳与作业态补偿的陀螺主动控制方法，对拖拉机进行机体紧急纠姿、偏载力矩补偿和调峰动力补偿主动控制，包括以下步骤：

S0、建立转子坐标系OXYZ和拖拉机坐标系O’X’Y’Z’：

以陀螺转子4中心为转子坐标系坐标原点O，以拖拉机质心为拖拉机坐标系坐标原点O’，以拖拉机前进方向为转子坐标系X轴和拖拉机坐标系X’轴正方向；以拖拉机前进方向左侧为转子坐标系Y轴和拖拉机坐标系Y’轴正方向，Y轴与陀螺转子4的转轴的轴线重合；以转子坐标系Z轴与X、Y轴组成右手直角坐标系并始终垂直于XOY平面，以拖拉机坐标系Z’轴与X’、Y’轴组成右手直角坐标系并始终垂直于X’O’Y’平面；

S1、拖拉机处于正常行驶状态时，无需陀螺主动控制系统介入；陀螺转子4处于浮动状态，箱体6随拖拉机同步运动，陀螺电机8带动陀螺转子4达到并保持额定转速，框架伺服机构不工作，传感器单元将实时采集的数据传输到控制单元11；其中，所述内框架轴光电编码器10检测内框架轴相对于外框架9的角位置和角速度；所述外框架轴光电编码器3检测外框架轴相对于箱体6的角位置和角速度；所述转速传感器检测陀螺转子4的转轴速度；所述GPS定位仪检测拖拉机实时车速；所述车轮六分力传感器检测各车轮所受垂向力和侧向力；

S2、所述控制单元11根据步骤S1获得的拖拉机实时车速和各车轮所受垂向力和侧向力判定拖拉机状态；所述拖拉机状态包括正常行驶状态、侧翻边界状态、侧滑横摆耦合状态、高强度侧倾偏载作业状态和严重欠功率驱动作业状态；

当拖拉机处于侧翻边界状态时，执行步骤S3；当拖拉机处于侧滑横摆耦合状态时，执行步骤S4；当拖拉机处于高强度侧倾偏载作业状态时，执行步骤S5；当拖拉机处于严重欠功率驱动作业状态时，执行步骤S6；当拖拉机处于正常行驶状态时，执行步骤S1；

拖拉机状态判定过程如下：

S2.1、当侧翻评价指标i_r＝0时，判定拖拉机处于侧翻边界状态；

所述拖拉机侧翻评价指标i_r的计算公式为：

式中，拖拉机侧翻评价指标i_r的取值范围为[0，+∞)，i_r趋近于0时，表示当前轮胎所受载荷逐渐减小，i_r＝0时轮胎开始远离地面，拖拉机处于侧翻边界状态；F_zi为车轮六分力传感器检测的车轮实时垂向力，单位为N；F_{s_zi}为拖拉机正常行驶时车轮六分力传感器检测的车轮垂向力，单位为N；F_{s_zi}在陀螺主动控制系统初次安装时检测并设定；F_zi和F_{s_zi}中下角标i为车轮编号，i＝1时表示左前轮，i＝2时表示右前轮，i＝3时表示左后轮，i＝4时表示右后轮；

S2.2、当侧滑横摆耦合状态评价指标i_s＝0时，判定拖拉机处于侧滑横摆耦合状态；

所述侧滑横摆耦合状态评价指标i_s的计算公式为：

前轴横摆：

或

后轴横摆：

式中，i_s的取值范围为[0，1]，i_s趋近于0时轮胎所受侧向力逐渐增大，i_s＝0时轮胎开始侧向滑动，拖拉机处于侧滑横摆耦合边界状态；F_{y_f}为车轮六分力传感器检测的两前轮实时侧向力之和，单位为N；F_{y_r}为车轮六分力传感器检测的两后轮实时侧向力之和，单位为N；f_{y_f}为地面作用在拖拉机两前轮上的侧向最大静摩擦力之和，单位为N；f_{y_r}为地面作用在拖拉机两后轮上的侧向最大静摩擦力之和，单位为N；

地面作用在拖拉机前轮和后轮上的最大静摩擦力计算公式为：

式中，F_z1为车轮六分力传感器检测的左前轮实时垂向力，单位为N；F_z2为车轮六分力传感器检测的右前轮实时垂向力，单位为N；F_z3为车轮六分力传感器检测的左后轮实时垂向力，单位为N；F_z4为车轮六分力传感器检测的右后轮实时垂向力，单位为N；μ为轮胎与地面之间的最大静摩擦系数；μ由拖拉机所在作业地区典型作业工况决定，在陀螺主动控制系统初次安装时设定；

S2.3、当侧倾偏载作业状态评价指标i_u处于[-0.5，0]范围内时，判定拖拉机处于高强度侧倾偏载作业状态；

所述侧倾偏载作业状态评价指标i_u的计算公式为：

式中，F_l为车轮六分力传感器检测的左前轮和左后轮实时垂向力之和，单位为N；F_r为车轮六分力传感器检测的右前轮和右后轮实时垂向力之和，单位为N；

S2.4、当峰值动力欠缺状态评价指标i_p处于(0.5，1]范围内时，判定拖拉机处于严重欠功率驱动作业状态；

所述峰值动力欠缺状态评价指标i_p的计算公式为：

式中，V_x为拖拉机实时车速，由GPS定位仪实时测量，单位为m/s；V_d为拖拉机目标车速，由电动拖拉机自身控制单元信号实时获取，单位为m/s；

S2.5、当i_r≠0、i_s≠0、0＜i_u≤0.5、0≤i_p≤0.5同时满足时，拖拉机处于正常行驶状态；

S3、当拖拉机处于侧翻边界状态时，当F_z2＝0或F_z4＝0，控制单元11判断拖拉机处于向左侧翻边界状态，控制单元11控制内框架力矩电机5驱动内框架2沿Z轴正方向以角速度ω_a1进动，外框架力矩电机7锁止外框架9，此时陀螺转子4进动产生与导致拖拉机向左侧翻的干扰力矩方向相反的输出力矩M_X’1经框架伺服机构及箱体6传递至拖拉机主机体，调整侧翻评价指标，使i_r≠0；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束；

当F_z1＝0或F_z3＝0，控制单元11判断拖拉机处于向右侧翻边界状态，控制单元11控制内框架力矩电机5驱动内框架2沿Z轴负方向以角速度ω_a2进动，外框架力矩电机7锁止外框架9，此时陀螺转子4进动产生与导致拖拉机向右侧翻的干扰力矩方向相反的输出力矩M_X’2经框架伺服机构及箱体6传递至拖拉机主机体，调整侧翻评价指标，使i_r≠0；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束；

S4、当拖拉机整机处于侧滑横摆耦合状态时，车轮六分力传感器检测到F_{y_f}方向指向拖拉机右侧或F_{y_r}方向指向拖拉机左侧，控制单元11判断拖拉机处于沿铅锤方向逆时针侧滑横摆耦合状态，控制单元11控制外框架力矩电机7驱动外框架9沿X轴正方向以角速度ω_b1进动，内框架力矩电机5锁止内框架2，此时陀螺转子4进动产生与拖拉机侧滑横摆方向相反的输出力矩M_Z’1经框架伺服机构及箱体6传递至拖拉机主机体，调整侧滑横摆耦合状态评价指标，使i_s≠0；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束；

当车轮六分力传感器检测到F_{y_f}方向指向拖拉机左侧或F_{y_r}方向指向拖拉机右侧，控制单元11判断拖拉机处于沿铅锤方向顺时针侧滑横摆耦合状态，控制单元11控制外框架力矩电机7驱动外框架9沿X轴负方向以角速度ω_b2进动，内框架力矩电机5锁止内框架2，此时陀螺转子4进动产生与拖拉机侧滑横摆方向相反的输出力矩M_Z’2经框架伺服机构及箱体6传递至拖拉机主机体，调整侧滑横摆耦合状态评价指标，使i_s≠0；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束；

S5、当拖拉机整机处于高强度侧倾偏载作业状态时，当F_li>F_ri，控制单元11判断拖拉机处于前进方向左侧高强度侧倾偏载作业；控制单元11控制内框架力矩电机5驱动内框架2沿Z轴正方向以角速度ω_a3进动，外框架力矩电机7锁止所述外框架9，此时陀螺转子4进动产生沿X轴正方向输出力矩M_X’3经框架伺服系统及箱体6传递至拖拉机主机体，改善整机横向载荷转移情况；当内框架2沿Z轴正方向以角速度ω_a3进动一定角度后，释放内框架力矩电机5力矩，保持内框架2自由浮动，控制外框架力矩电机7驱动外框架9沿X轴正方向以角速度ω_b3进动，此时陀螺转子4由于进动性带动内框架2向初始进动反方向运动；当内框架2回到初次进动初始位置时，内框架力矩电机5继续驱动内框架2沿Z轴正方向以角速度ω_a3进动，外框架力矩电机7锁止外框架9，此时陀螺转子4进动将产生沿X轴正方向输出力矩M_X’3经框架伺服系统及箱体6传递至拖拉机主机体，继续改善整机横向载荷转移情况，以此方法循环往复，保持对拖拉机侧倾偏载进行持续力矩补偿，调整侧倾偏载作业状态评价指标，使0＜i_u≤0.5；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束；

当F_li<F_ri，控制单元11判断拖拉机处于前进方向右侧高强度侧倾偏载作业，控制单元11控制内框架力矩电机5驱动内框架2沿Z轴负方向以角速度ω_a4进动，外框架力矩电机7锁止所述外框架9，此时陀螺转子4进动产生沿X轴负方向输出力矩M_X’4经框架伺服系统及箱体6传递至拖拉机主机体，改善整机横向载荷转移情况；当内框架2沿Z轴负方向以角速度ω_a4进动一定角度后，释放内框架力矩电机5力矩，保持内框架2自由浮动，控制外框架力矩电机7驱动外框架9沿X轴负方向以角速度ω_b4进动，此时陀螺转子4由于进动性带动内框架2向初始进动反方向运动；当内框架2回到初次进动初始位置时，内框架力矩电机5继续驱动内框架2沿Z轴负方向以角速度ω_a4进动，外框架力矩电机7锁止外框架9，此时陀螺转子4进动将产生沿X轴负方向输出力矩M_X’4经框架伺服系统及箱体6传递至拖拉机主机体，继续改善整机横向载荷转移情况，以此方法循环往复，保持对拖拉机侧倾偏载进行持续力矩补偿，调整侧倾偏载作业状态评价指标，使0＜i_u≤0.5；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束；

S6、当拖拉机整机处于严重欠功率驱动作业状态时，控制单元11将陀螺电机8的工作模式由充电储能模式切换为放电释能模式，即陀螺电机8由电动机状态切换为发电机状态运行，拖拉机驱动电机作为负载接入系统，陀螺转子4减速制动并将释放的电能与拖拉机车载蓄电池13直流母线并联入网，平稳补偿激增的拖拉机负载功率，调整峰值动力欠缺状态评价指标i_p，使0≤i_p≤0.5；调整完成后，陀螺电机8驱动陀螺转子4以低功耗缓慢加速运转，到达额定转速后系统进入能量保持状态，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束。

所述步骤S1中，控制单元11控制陀螺电机8的充放能控制模块调整陀螺电机8在电动机状态下工作，采用逆变器将拖拉机车载蓄电池13中的直流电转换成交流电供给陀螺电机8使用，陀螺电机8驱动陀螺转子4以低功耗缓慢加速运转到达额定转速，到达额定转速后系统进入能量保持状态。

所述步骤S3～S5中，根据如下关系式调整侧翻边界状态、侧滑横摆耦合状态和高强度侧倾偏载作业状态：

式中，ω_ak为内框架轴相对于外框架9的角速度，单位为rad/s；ω_bk为外框架轴相对于箱体6的角速度，单位为rad/s；J为陀螺转子4的转动惯量，单位为kg·m²；ω_j为陀螺转子4的角速度，单位为rad/s；M_X’t、M_Z’t分别为拖拉机侧翻、侧滑横摆耦合、侧倾偏载控制沿X’、Z’轴所需输出的转矩，单位为N·m；θ为内框架轴相对于外框架9的角位置单位为rad；α为外框架轴相对于箱体6的角位置，单位为rad；其中，ω_j根据转速传感器检测的陀螺转子4的转轴速度获得，单位为rad/s；M_X’t、M_Z’t根据不同拖拉机型号，在初次安装时通过试验测量并设定；ω_ak、θ由内框架轴光电编码器10实时检测；ω_bk、α由外框架轴光电编码器3实时检测；

ω_ak中下角标ak为内框架轴相对于外框架9的角速度编号，其中，a1表示拖拉机向前进方向左侧翻控制时内框架轴角速度编号；a2表示拖拉机向前进方向右侧翻控制时内框架轴角速度编号；a3表示拖拉机处于前进方向左侧高强度侧倾偏载作业控制时内框架轴角速度编号；a4表示拖拉机处于前进方向右侧高强度侧倾偏载作业控制时内框架轴角速度编号；

ω_bk中下角标bk为外框架轴相对于箱体6的角速度编号，其中，b1表示拖拉机沿铅锤方向逆时针侧滑横摆耦合控制时外框架进动角速度编号；b2表示拖拉机沿铅锤方向顺时针侧滑横摆耦合控制时外框架进动角速度编号；b3表示拖拉机处于前进方向左侧高强度侧倾偏载作业控制时外框架进动角速度编号；b4表示拖拉机处于前进方向右侧高强度侧倾偏载作业控制时外框架进动角速度编号；

M_X’t中下角标X’t为陀螺主动控制系统沿X’轴控制所需输出的转矩编号，其中，X’1表示拖拉机向前进方向左侧翻控制时所需输出的转矩编号；X’2表示拖拉机向前进方向右侧翻控制时所需输出的转矩编号；X’3表示拖拉机处于前进方向左侧高强度侧倾偏载作业控制时所需输出的转矩编号；X’4表示拖拉机处于前进方向右侧高强度侧倾偏载作业控制时所需输出的转矩编号；

M_Z’t中下角标Z’t为陀螺主动控制系统沿Z’轴控制所需输出的转矩编号，其中，Z’1表示拖拉机沿铅锤方向逆时针侧滑横摆耦合控制时所需输出的转矩编号；Z’2表示拖拉机沿铅锤方向顺时针侧滑横摆耦合控制时所需输出的转矩编号。

所述方法中，当同时存在多种失稳情况时，为保证驾驶员安全，控制优先级为：侧翻控制优先于侧滑-横摆耦合控制，侧滑-横摆耦合控制优先于侧倾偏载控制，侧倾偏载控制优先于峰值动力补偿控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)结构紧凑，功能丰富：本发明体积小，回稳力矩大，可安装于拖拉机底盘前端，取代静态配重，能够输出多自由度工作力矩，可用于拖拉机侧倾和横摆稳定性控制，也可用于整机偏载和驱动功率补偿。

2)节能环保，运转平稳：本发明原理简单，转速平稳，驾驶员乘坐舒适度高，功耗水平低，可由车载蓄电池直接供能，无需其他能量来源和系统配置，可同时满足高实时性目标和低能耗需求，显著提高系统安全性和作业平稳性。

3)适应面广，鲁棒性强：本发明可广泛应用于复杂崎岖、坡度交错、土质不一等复杂环境下作业的轮式拖拉机，亦可应用于遇附着条件恶化的拖拉机，能够显著改善整机的作业地形适应性和整车动力性能。

附图说明

图1为本发明的陀螺主动控制系统的陀螺转子装置I的结构示意图；

图2为本发明的陀螺主动控制系统的陀螺转子装置I安装于拖拉机上的轴测图；

图3为本发明的陀螺主动控制系统的安装俯视图；

图4a为本发明的陀螺装置的侧翻控制力矩输出原理示意图；

图4b为本发明的陀螺装置的侧滑横摆耦合控制力矩输出原理示意图；

图4c为本发明的陀螺装置的侧倾偏载控制力矩输出原理示意图；

图5为本发明的陀螺主动控制系统采用的能量转换电路原理示意图；

图6为本发明的陀螺主动控制系统的控制策略框图。

其中的附图标记为：

1 陀螺房 2 内框架

3 外框架轴光电编码器 4 陀螺转子

5 内框架力矩电机 6 箱体

7 外框架力矩电机 8 陀螺电机

9 外框架 10 内框架轴光电编码器

11 控制单元 12 电路组件

13 拖拉机车载蓄电池 I 陀螺转子装置

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1和图3所示，本发明的一种面向丘陵山地的拖拉机极限态回稳与作业态补偿陀螺主动控制系统，适用于轮式拖拉机，特别是电动轮式拖拉机。

所述陀螺主动控制系统包括陀螺转子装置I、传感器单元、电路组件12和控制单元11。

所述陀螺转子装置I包括箱体6，以及设置在箱体6内部的框架伺服机构和高速转子机构。

所述高速转子机构包括陀螺房1、陀螺转子4和陀螺电机8；所述陀螺转子4呈圆盘状，圆心设有转轴，陀螺转子4的转轴通过转子支承轴承安装在陀螺房1上；所述陀螺电机8固接在陀螺房1上，陀螺电机8的动力输出轴与陀螺转子4的转轴固接；当陀螺转子4位于初始位置时，陀螺转子4的转轴的轴线与拖拉机的驱动轮的轴线平行。所述陀螺房1为密闭真空环境。

所述框架伺服机构包括内框架组件和外框架组件；所述内框架组件包括内框架2、内框架力矩电机5和内框架轴光电编码器10；所述外框架组件包括外框架9、外框架力矩电机7和外框架轴光电编码器3。

所述高速转子机构的陀螺房1固接在内框架2上；所述内框架2为一圆环，其环体上设有一对内框架轴，所述一对内框架轴位于第一轴线上，所述第一轴线过内框架环体圆心、且与陀螺转子4的转轴的轴线垂直；所述内框架2的内框架轴通过内框架支撑轴承安装在外框架9上；所述外框架9为一圆环，其环体上设有一对外框架轴，所述一对外框架轴位于第二轴线上，所述第二轴线过外框架环体圆心、且与陀螺转子4的转轴的轴线以及第一轴线垂直；所述第二轴线与拖拉机的前进方向平行；外框架9的外框架轴通过外框架支承轴承与所述箱体6连接。

所述内框架力矩电机5和内框架轴光电编码器10固接在外框架9上，并分别与内框架2的内框架轴连接；所述外框架力矩电机7和外框架轴光电编码器3固接在箱体6上，并分别与外框架9的外框架轴连接。其中，所述内框架轴光电编码器10用于检测内框架轴相对于外框架9的角位置和角速度；所述外框架轴光电编码器3用于检测外框架轴相对于箱体6的角位置和角速度。

所述电路组件12包括能量转换电路、框架系统驱动电路和转子系统驱动电路；各电路均由拖拉机车载蓄电池13或外置辅助电源供电。

所述能量转换电路分别与控制单元11和陀螺电机8连接；根据控制单元11的信号，切换陀螺主动控制系统的工作状态，配合陀螺电机8执行充电储能或放电释能工作。

所述框架系统驱动电路分别与控制单元11、内框架力矩电机5和外框架力矩电机7连接；根据控制单元11的信号，通过驱动内框架2和外框架9运动，对陀螺转子4的进动角速度或力矩进行主动调控。

所述转子系统驱动电路分别与控制单元11和陀螺电机8连接，根据控制单元11的信号，对陀螺转子4的自旋速度进行主动调控。

所述传感器单元与控制单元11连接，传感器单元包括转速传感器、GPS定位仪和车轮六分力传感器；其中，所述转速传感器安装于陀螺房1与陀螺转子4的转轴连接处，用于检测陀螺转子4的转轴的转速；所述GPS定位仪安装于拖拉机主机体上，用于检测拖拉机实时车速；所述车轮六分力传感器安装于拖拉机各车轮上，用于检测车轮所受垂向力和侧向力。

所述传感器单元内所有传感器电信号传输为有线和无线传输中的至少一种。

如图2和图3所示，本发明的陀螺转子装置I安装于拖拉机前端配重处，同时发挥配重、机体姿态调整和功率补偿等多重作用。

所述陀螺电机8为电动-发电集成电机，可用于驱动所述陀螺转子4将电能转换为转子高速运动的机械能，亦可用于将所述陀螺转子4高速运动的机械能转换为电能输出。为有效补偿拖拉机牵引作业过程中由于负载激增、瞬时动力不足导致的降速停车和作业间断等问题，通过陀螺电机8的电动机-发电机状态转换对拖拉机作业机组进行动力调峰。

所述陀螺房1固定于内框架2上，为分离式壳体结构，通过螺栓和密封圈紧固，并通过真空组件将其内部抽至一定真空度后密封。避免陀螺转子在高速运转时带动周围空气形成强烈的涡流，有效降低空气阻力，减少高速转子运行损耗。

所述陀螺转子4的转轴由转子支承轴承作为支承；所述转子支承轴承为合金轴承、陶瓷轴承或磁悬浮轴承。

所述内框架支承轴承和外框架支承轴承均为调心滚子轴承。

如图6所示，基于上述陀螺主动控制系统，本发明提供一种面向丘陵山地的拖拉机极限态回稳与作业态补偿的陀螺主动控制方法，对拖拉机进行机体紧急纠姿、偏载力矩补偿和调峰动力补偿主动控制，包括以下步骤：

S0、建立转子坐标系OXYZ和拖拉机坐标系O’X’Y’Z’：

以陀螺转子4中心为转子坐标系坐标原点O，以拖拉机质心为拖拉机坐标系坐标原点O’，以拖拉机前进方向为转子坐标系X轴和拖拉机坐标系X’轴正方向；以拖拉机前进方向左侧为转子坐标系Y轴和拖拉机坐标系Y’轴正方向，Y轴与陀螺转子4的转轴的轴线重合；以转子坐标系Z轴与X、Y轴组成右手直角坐标系并始终垂直于XOY平面，以拖拉机坐标系Z’轴与X’、Y’轴组成右手直角坐标系并始终垂直于X’O’Y’平面。

S1、拖拉机处于正常行驶状态时，无需陀螺主动控制系统介入；陀螺转子4处于浮动状态，箱体6随拖拉机同步运动，陀螺电机8带动陀螺转子4达到并保持额定转速，框架伺服机构不工作，传感器单元将实时采集的数据传输到控制单元11；其中，所述内框架轴光电编码器10检测内框架轴相对于外框架9的角位置和角速度；所述外框架轴光电编码器3检测外框架轴相对于箱体6的角位置和角速度；所述转速传感器检测陀螺转子4的转轴速度；所述GPS定位仪检测拖拉机实时车速；所述车轮六分力传感器检测各车轮所受垂向力和侧向力。

所述控制单元11利用卡尔曼滤波算法对传感器单元采集的数据信号进行滤波降噪处理。

S2、所述控制单元11根据步骤S1获得的拖拉机实时车速和各车轮所受垂向力和侧向力判定拖拉机状态；所述拖拉机状态包括正常行驶状态、侧翻边界状态、侧滑横摆耦合状态、高强度侧倾偏载作业状态和严重欠功率驱动作业状态；

当拖拉机处于侧翻边界状态时，执行步骤S3；当拖拉机处于侧滑横摆耦合状态时，执行步骤S4；当拖拉机处于高强度侧倾偏载作业状态时，执行步骤S5；当拖拉机处于严重欠功率驱动作业状态时，执行步骤S6；当拖拉机处于正常行驶状态时，执行步骤S1；

拖拉机状态判定过程如下：

S2.1、当侧翻评价指标i_r＝0时，判定拖拉机处于侧翻边界状态；

所述拖拉机侧翻评价指标i_r的计算公式为：

式中，拖拉机侧翻评价指标i_r的取值范围为[0，+∞)，i_r趋近于0时，表示当前轮胎所受载荷逐渐减小，i_r＝0时轮胎开始远离地面，拖拉机处于侧翻边界状态；F_zi为车轮六分力传感器检测的车轮实时垂向力，单位为N；F_{s_zi}为拖拉机正常行驶时车轮六分力传感器检测的车轮垂向力，单位为N；F_{s_zi}在陀螺主动控制系统初次安装时检测并设定；F_zi和F_{s_zi}中下角标i为车轮编号，i＝1时表示左前轮，i＝2时表示右前轮，i＝3时表示左后轮，i＝4时表示右后轮。

S2.2、当侧滑横摆耦合状态评价指标i_s＝0时，判定拖拉机处于侧滑横摆耦合状态；

所述侧滑横摆耦合状态评价指标i_s的计算公式为：

前轴横摆：

或

后轴横摆：

式中，i_s的取值范围为[0，1]，i_s趋近于0时轮胎所受侧向力逐渐增大，i_s＝0时轮胎开始侧向滑动，拖拉机处于侧滑横摆耦合边界状态；F_{y_f}为车轮六分力传感器检测的两前轮实时侧向力之和，单位为N；F_{y_r}为车轮六分力传感器检测的两后轮实时侧向力之和，单位为N；f_{y_f}为地面作用在拖拉机两前轮上的侧向最大静摩擦力之和，单位为N；f_{y_r}为地面作用在拖拉机两后轮上的侧向最大静摩擦力之和，单位为N；

地面作用在拖拉机前轮和后轮上的最大静摩擦力计算公式为：

式中，F_z1为车轮六分力传感器检测的左前轮实时垂向力，单位为N；F_z2为车轮六分力传感器检测的右前轮实时垂向力，单位为N；F_z3为车轮六分力传感器检测的左后轮实时垂向力，单位为N；F_z4为车轮六分力传感器检测的右后轮实时垂向力，单位为N；μ为轮胎与地面之间的最大静摩擦系数；μ由拖拉机所在作业地区典型作业工况决定，在陀螺主动控制系统初次安装时设定；

S2.3、当侧倾偏载作业状态评价指标i_u处于[-0.5，0]范围内时，判定拖拉机处于高强度侧倾偏载作业状态；

所述侧倾偏载作业状态评价指标i_u的计算公式为：

式中，F_l为车轮六分力传感器检测的左前轮和左后轮实时垂向力之和，单位为N；F_r为车轮六分力传感器检测的右前轮和右后轮实时垂向力之和，单位为N；

S2.4、当峰值动力欠缺状态评价指标i_p处于(0.5，1]范围内时，判定拖拉机处于严重欠功率驱动作业状态；

所述峰值动力欠缺状态评价指标i_p的计算公式为：

式中，V_x为拖拉机实时车速，由GPS定位仪实时测量，单位为m/s；V_d为拖拉机目标车速，由电动拖拉机自身控制单元信号实时获取，单位为m/s；

S2.5、当i_r≠0、i_s≠0、0＜i_u≤0.5、0≤i_p≤0.5同时满足时，拖拉机处于正常行驶状态。

S3、当拖拉机处于侧翻边界状态时，当F_z2＝0或F_z4＝0，控制单元11判断拖拉机处于向左侧翻边界状态，如图4a所示，控制单元11控制内框架力矩电机5驱动内框架2沿Z轴正方向以角速度ω_a1进动，外框架力矩电机7锁止外框架9，此时陀螺转子4进动产生与导致拖拉机向左侧翻的干扰力矩方向相反的输出力矩M_X’1经框架伺服机构及箱体6传递至拖拉机主机体，调整侧翻评价指标，使i_r≠0；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束。

当F_z1＝0或F_z3＝0，控制单元11判断拖拉机处于向右侧翻边界状态，控制单元11控制内框架力矩电机5驱动内框架2沿Z轴负方向以角速度ω_a2进动，外框架力矩电机7锁止外框架9，此时陀螺转子4进动产生与导致拖拉机向右侧翻的干扰力矩方向相反的输出力矩M_X’2经框架伺服机构及箱体6传递至拖拉机主机体，调整侧翻评价指标，使i_r≠0；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束。

S4、当拖拉机整机处于侧滑横摆耦合状态时，车轮六分力传感器检测到F_{y_f}方向指向拖拉机右侧或F_{y_r}方向指向拖拉机左侧，控制单元11判断拖拉机处于沿铅锤方向逆时针侧滑横摆耦合状态，如图4b所示，控制单元11控制外框架力矩电机7驱动外框架9沿X轴正方向以角速度ω_b1进动，内框架力矩电机5锁止内框架2，此时陀螺转子4进动产生与拖拉机侧滑横摆方向相反的输出力矩M_Z’1经框架伺服机构及箱体6传递至拖拉机主机体，调整侧滑横摆耦合状态评价指标，使i_s≠0；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束。

当车轮六分力传感器检测到F_{y_f}方向指向拖拉机左侧或F_{y_r}方向指向拖拉机右侧，控制单元11判断拖拉机处于沿铅锤方向顺时针侧滑横摆耦合状态，控制单元11控制外框架力矩电机7驱动外框架9沿X轴负方向以角速度ω_b2进动，内框架力矩电机5锁止内框架2，此时陀螺转子4进动产生与拖拉机侧滑横摆方向相反的输出力矩M_Z’2经框架伺服机构及箱体6传递至拖拉机主机体，调整侧滑横摆耦合状态评价指标，使i_s≠0；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束。

S5、当拖拉机整机处于高强度侧倾偏载作业状态时，当F_li>F_ri，控制单元11判断拖拉机处于前进方向左侧高强度侧倾偏载作业；如图4c所示，控制单元11控制内框架力矩电机5驱动内框架2沿Z轴正方向以角速度ω_a3进动，外框架力矩电机7锁止所述外框架9，此时陀螺转子4进动产生沿X轴正方向输出力矩M_X’3经框架伺服系统及箱体6传递至拖拉机主机体，改善整机横向载荷转移情况；当内框架2沿Z轴正方向以角速度ω_a3进动一定角度后，释放内框架力矩电机5力矩，保持内框架2自由浮动，控制外框架力矩电机7驱动外框架9沿X轴正方向以角速度ω_b3进动，此时陀螺转子4由于进动性带动内框架2向初始进动反方向运动；当内框架2回到初次进动初始位置时，内框架力矩电机5继续驱动内框架2沿Z轴正方向以角速度ω_a3进动，外框架力矩电机7锁止外框架9，此时陀螺转子4进动将产生沿X轴正方向输出力矩M_X’3经框架伺服系统及箱体6传递至拖拉机主机体，继续改善整机横向载荷转移情况，以此方法循环往复，保持对拖拉机侧倾偏载进行持续力矩补偿，调整侧倾偏载作业状态评价指标，使0＜i_u≤0.5；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束。

当F_li<F_ri，控制单元11判断拖拉机处于前进方向右侧高强度侧倾偏载作业，控制单元11控制内框架力矩电机5驱动内框架2沿Z轴负方向以角速度ω_a4进动，外框架力矩电机7锁止所述外框架9，此时陀螺转子4进动产生沿X轴负方向输出力矩M_X’4经框架伺服系统及箱体6传递至拖拉机主机体，改善整机横向载荷转移情况；当内框架2沿Z轴负方向以角速度ω_a4进动一定角度后，释放内框架力矩电机5力矩，保持内框架2自由浮动，控制外框架力矩电机7驱动外框架9沿X轴负方向以角速度ω_b4进动，此时陀螺转子4由于进动性带动内框架2向初始进动反方向运动；当内框架2回到初次进动初始位置时，内框架力矩电机5继续驱动内框架2沿Z轴负方向以角速度ω_a4进动，外框架力矩电机7锁止外框架9，此时陀螺转子4进动将产生沿X轴负方向输出力矩M_X’4经框架伺服系统及箱体6传递至拖拉机主机体，继续改善整机横向载荷转移情况，以此方法循环往复，保持对拖拉机侧倾偏载进行持续力矩补偿，调整侧倾偏载作业状态评价指标，使0＜i_u≤0.5；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束。

S6、当拖拉机整机处于严重欠功率驱动作业状态时，控制单元11将陀螺电机8的工作模式由充电储能模式切换为放电释能模式，即陀螺电机8由电动机状态切换为发电机状态运行，拖拉机驱动电机作为负载接入系统，陀螺转子4减速制动并将释放的电能与拖拉机车载蓄电池13直流母线并联入网，平稳补偿激增的拖拉机负载功率，调整峰值动力欠缺状态评价指标i_p，使0≤i_p≤0.5；调整完成后，陀螺电机8驱动所述陀螺转子4以低功耗缓慢加速运转，到达额定转速后系统进入能量保持状态，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束。

所述步骤S1中，拖拉机处于正常行驶状态时，无需陀螺主动控制系统介入；控制单元11控制陀螺电机8的充放能控制模块调整陀螺电机8在电动机状态下工作，采用逆变器将拖拉机车载蓄电池13中的直流电转换成交流电供给陀螺电机8使用，陀螺电机8驱动陀螺转子4以低功耗(约500w)缓慢加速运转到达额定转速，到达额定转速后系统进入能量保持状态。当陀螺转子4高速旋转时，陀螺转子4的角动量H为:

H＝J·ω_j

式中，J为陀螺转子4的转动惯量，单位为kg·m²；ω_j为陀螺转子4的角速度，根据转速传感器检测的陀螺转子4的转轴速度获得，单位为rad/s。

根据动量矩定理和陀螺仪的进动性，当陀螺转子4以角速度ω进动时，将产生垂直于进动角速度和自转角动量平面的输出力矩M_o：

M_o＝H×ω

式中，ω为陀螺转子4的进动角速度，单位为rad/s；H为陀螺转子4的角动量，单位为N·m·s。

通过对拖拉机极限态回稳与作业态补偿的陀螺主动控制系统的框架伺服机构和高速转子机构的运动控制，可以调节输出力矩M_o产生沿着拖拉机侧倾轴线和横摆轴线的分力矩，在拖拉机横向失稳和侧倾偏载作业时调整拖拉机姿态、改善横向载荷分配。

所述步骤S3～S5中，根据如下关系式调整侧翻边界状态、侧滑横摆耦合状态和高强度侧倾偏载作业状态：

式中，ω_ak为内框架轴相对于外框架9的角速度，单位为rad/s；ω_bk为外框架轴相对于箱体6的角速度，单位为rad/s；J为陀螺转子4的转动惯量，单位为kg·m²；ω_j为陀螺转子4的角速度，单位为rad/s；M_X’t、M_Z’t分别为拖拉机侧翻、侧滑横摆耦合、侧倾偏载控制沿X’、Z’轴所需输出的转矩，单位为N·m；θ为内框架轴相对于外框架9的角位置单位为rad；α为外框架轴相对于箱体6的角位置，单位为rad；其中，ω_j根据转速传感器检测的陀螺转子4的转轴速度获得，单位为rad/s；M_X’t、M_Z’t根据不同拖拉机型号，在初次安装时通过试验测量并设定；ω_ak、θ由内框架轴光电编码器10实时检测；ω_bk、α由外框架轴光电编码器3实时检测。

ω_ak中下角标ak为内框架轴相对于外框架9的角速度编号，其中，a1表示拖拉机向前进方向左侧翻控制时内框架轴角速度编号；a2表示拖拉机向前进方向右侧翻控制时内框架轴角速度编号；a3表示拖拉机处于前进方向左侧高强度侧倾偏载作业控制时内框架轴角速度编号；a4表示拖拉机处于前进方向右侧高强度侧倾偏载作业控制时内框架轴角速度编号。

ω_bk中下角标bk为外框架轴相对于箱体6的角速度编号，其中，b1表示拖拉机沿铅锤方向逆时针侧滑横摆耦合控制时外框架进动角速度编号；b2表示拖拉机沿铅锤方向顺时针侧滑横摆耦合控制时外框架进动角速度编号；b3表示拖拉机处于前进方向左侧高强度侧倾偏载作业控制时外框架进动角速度编号；b4表示拖拉机处于前进方向右侧高强度侧倾偏载作业控制时外框架进动角速度编号。

M_X’t中下角标X’t为陀螺主动控制系统沿X’轴控制所需输出的转矩编号，其中，X’1表示拖拉机向前进方向左侧翻控制时所需输出的转矩编号；X’2表示拖拉机向前进方向右侧翻控制时所需输出的转矩编号；X’3表示拖拉机处于前进方向左侧高强度侧倾偏载作业控制时所需输出的转矩编号；X’4表示拖拉机处于前进方向右侧高强度侧倾偏载作业控制时所需输出的转矩编号；

M_Z’t中下角标Z’t为陀螺主动控制系统沿Z’轴控制所需输出的转矩编号，其中，Z’1表示拖拉机沿铅锤方向逆时针侧滑横摆耦合控制时所需输出的转矩编号；Z’2表示拖拉机沿铅锤方向顺时针侧滑横摆耦合控制时所需输出的转矩编号；

具体地，如图5所示，电动拖拉机在正常作业过程中，控制单元11控制陀螺电机8的充放能控制模块调整陀螺电机8在电动机状态下工作，采用逆变器将拖拉机车载蓄电池13中的直流电转换成交流电供给陀螺电机8使用，陀螺电机8驱动陀螺转子4以低功耗(约500w)缓慢加速运转，到达额定转速后系统进入能量保持状态；在拖拉机欠功率驱动工况下，控制单元11控制陀螺电机8的充放能控制模块调整陀螺电机8在发电机状态下工作，使用整流器将发电机产生的交流电转换成直流电供给DC-DC转换器，将因陀螺转子4降速产生的不稳定电压，调整为恒定幅值供给拖拉机直流母线，经拖拉机逆变器转换成交流电传递至电动拖拉机驱动轮的驱动电机，补偿拖拉机瞬时牵引阻力激增时的功率需求，提高整机动力性，避免其峰值功率无法克服负载而出现降速、停车等问题。

所述步骤S6中，根据陀螺储能原理，陀螺储存的能量与其旋转速度的平方成正比，在此系统中，高速旋转的陀螺转子4在发电机状态下的陀螺电机8产生电能输出，可释放的能量E为：

式中，J为陀螺转子4的转动惯量，单位为kg·m²；ω_max为陀螺转子4的额定角速度，单位为rad/s；ω_min为陀螺转子4的最小角速度，单位为rad/s。

所述陀螺主动控制方法中，当同时存在多种失稳情况时，为保证驾驶员安全，控制优先级为：侧翻控制优先于侧滑-横摆耦合控制，侧滑-横摆耦合控制优先于侧倾偏载控制，侧倾偏载控制优先于峰值动力补偿控制。

Claims (10)

1.一种拖拉机极限态回稳与作业态补偿陀螺主动控制系统，其特征在于，所述陀螺主动控制系统包括陀螺转子装置(I)、传感器单元、电路组件(12)和控制单元(11)；所述陀螺转子装置(I)安装于拖拉机前端配重处；

所述陀螺转子装置(I)包括箱体(6)，以及设置在箱体(6)内部的框架伺服机构和高速转子机构；

所述高速转子机构包括陀螺房(1)、陀螺转子(4)和陀螺电机(8)；所述陀螺转子(4)呈圆盘状，圆心设有转轴，陀螺转子(4)的转轴通过转子支承轴承安装在陀螺房(1)上；所述陀螺电机(8)固接在陀螺房(1)上，陀螺电机(8)的动力输出轴与陀螺转子(4)的转轴固接；当陀螺转子(4)位于初始位置时，陀螺转子(4)的转轴的轴线与拖拉机的驱动轮的轴线平行；所述陀螺房(1)为密闭真空环境；

所述框架伺服机构包括内框架组件和外框架组件；所述内框架组件包括内框架(2)、内框架力矩电机(5)和内框架轴光电编码器(10)；所述外框架组件包括外框架(9)、外框架力矩电机(7)和外框架轴光电编码器(3)；

所述高速转子机构的陀螺房(1)固接在内框架(2)上；所述内框架(2)为一圆环，其环体上设有一对内框架轴，所述一对内框架轴位于第一轴线上，所述第一轴线过内框架环体圆心、且与陀螺转子(4)的转轴的轴线垂直；所述内框架(2)的内框架轴通过内框架支撑轴承安装在外框架(9)上；所述外框架(9)为一圆环，其环体上设有一对外框架轴，所述一对外框架轴位于第二轴线上，所述第二轴线过外框架环体圆心、且与陀螺转子(4)的转轴的轴线以及第一轴线垂直；所述第二轴线与拖拉机的前进方向平行；外框架(9)的外框架轴通过外框架支承轴承与所述箱体(6)连接；

所述内框架力矩电机(5)和内框架轴光电编码器(10)固接在外框架(9)上，并分别与内框架(2)的内框架轴连接；所述外框架力矩电机(7)和外框架轴光电编码器(3)固接在箱体(6)上，并分别与外框架(9)的外框架轴连接；所述内框架轴光电编码器(10)用于检测内框架轴相对于外框架(9)的角位置和角速度；所述外框架轴光电编码器(3)用于检测外框架轴相对于箱体(6)的角位置和角速度；

所述电路组件(12)包括能量转换电路、框架系统驱动电路和转子系统驱动电路；能量转换电路、框架系统驱动电路和转子系统驱动电路由拖拉机车载蓄电池(13)或外置辅助电源供电；

所述能量转换电路分别与控制单元(11)和陀螺电机(8)连接；根据控制单元(11)的信号，切换陀螺主动控制系统的工作状态，配合陀螺电机(8)执行充电储能或放电释能工作；

所述框架系统驱动电路分别与控制单元(11)、内框架力矩电机(5)和外框架力矩电机(7)连接；根据控制单元(11)的信号，通过驱动内框架(2)和外框架(9)运动，对陀螺转子(4)的进动角速度或力矩进行主动调控；

所述转子系统驱动电路分别与控制单元(11)和陀螺电机(8)连接，根据控制单元(11)的信号，对陀螺转子(4)的自旋速度进行主动调控；

所述传感器单元与控制单元(11)连接，传感器单元包括转速传感器、GPS定位仪和车轮六分力传感器；其中，所述转速传感器安装于陀螺房(1)与陀螺转子(4)的转轴连接处，用于检测陀螺转子(4)的转轴的转速；所述GPS定位仪安装于拖拉机主机体上，用于检测拖拉机实时车速；所述车轮六分力传感器安装于拖拉机各车轮上，用于检测车轮所受垂向力和侧向力。

2.根据权利要求1所述的陀螺主动控制系统，其特征在于，所述传感器单元内所有传感器电信号传输为有线和无线传输中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的陀螺主动控制系统，其特征在于，所述陀螺电机(8)为电动-发电集成电机，能够用于驱动所述陀螺转子(4)将电能转换为转子高速运动的机械能，亦能够用于将所述陀螺转子(4)高速运动的机械能转换为电能输出。

4.根据权利要求1所述的陀螺主动控制系统，其特征在于，所述陀螺房(1)为分离式壳体结构，通过螺栓和密封圈紧固，并通过真空组件将其内部抽至一定真空度后密封。

5.根据权利要求1所述的陀螺主动控制系统，其特征在于，所述转子支承轴承为合金轴承、陶瓷轴承或磁悬浮轴承。

6.根据权利要求1所述的陀螺主动控制系统，其特征在于，所述内框架支承轴承和外框架支承轴承均为调心滚子轴承。

7.一种利用权利要求1-6所述的陀螺主动控制系统的拖拉机极限态回稳与作业态补偿的陀螺主动控制方法，对拖拉机进行机体紧急纠姿、偏载力矩补偿和调峰动力补偿主动控制，其特征在于，包括以下步骤：

S0、建立转子坐标系OXYZ和拖拉机坐标系O’X’Y’Z’：

以陀螺转子(4)中心为转子坐标系坐标原点O，以拖拉机质心为拖拉机坐标系坐标原点O’，以拖拉机前进方向为转子坐标系X轴和拖拉机坐标系X’轴正方向；以拖拉机前进方向左侧为转子坐标系Y轴和拖拉机坐标系Y’轴正方向，Y轴与陀螺转子(4)的转轴的轴线重合；以转子坐标系Z轴与X、Y轴组成右手直角坐标系并始终垂直于XOY平面，以拖拉机坐标系Z’轴与X’、Y’轴组成右手直角坐标系并始终垂直于X’O’Y’平面；

S1、拖拉机处于正常行驶状态时，无需陀螺主动控制系统介入；陀螺转子(4)处于浮动状态，箱体(6)随拖拉机同步运动，陀螺电机(8)带动陀螺转子(4)达到并保持额定转速，框架伺服机构不工作，传感器单元将实时采集的数据传输到控制单元(11)；其中，所述内框架轴光电编码器(10)检测内框架轴相对于外框架(9)的角位置和角速度；所述外框架轴光电编码器(3)检测外框架轴相对于箱体(6)的角位置和角速度；所述转速传感器检测陀螺转子(4)的转轴速度；所述GPS定位仪检测拖拉机实时车速；所述车轮六分力传感器检测各车轮所受垂向力和侧向力；

S2、所述控制单元(11)根据步骤S1获得的拖拉机实时车速和各车轮所受垂向力和侧向力判定拖拉机状态；所述拖拉机状态包括正常行驶状态、侧翻边界状态、侧滑横摆耦合状态、高强度侧倾偏载作业状态和严重欠功率驱动作业状态；

当拖拉机处于侧翻边界状态时，执行步骤S3；当拖拉机处于侧滑横摆耦合状态时，执行步骤S4；当拖拉机处于高强度侧倾偏载作业状态时，执行步骤S5；当拖拉机处于严重欠功率驱动作业状态时，执行步骤S6；当拖拉机处于正常行驶状态时，执行步骤S1；

拖拉机状态判定过程如下：

S2.1、当侧翻评价指标i_r＝0时，判定拖拉机处于侧翻边界状态；

所述拖拉机侧翻评价指标i_r的计算公式为：

式中，拖拉机侧翻评价指标i_r的取值范围为[0，+∞)，i_r趋近于0时，表示当前轮胎所受载荷逐渐减小，i_r＝0时轮胎开始远离地面，拖拉机处于侧翻边界状态；F_zi为车轮六分力传感器检测的车轮实时垂向力，单位为N；F_{s_zi}为拖拉机正常行驶时车轮六分力传感器检测的车轮垂向力，单位为N；F_{s_zi}在陀螺主动控制系统初次安装时检测并设定；F_zi和F_{s_zi}中下角标i为车轮编号，i＝1时表示左前轮，i＝2时表示右前轮，i＝3时表示左后轮，i＝4时表示右后轮；

S2.2、当侧滑横摆耦合状态评价指标i_s＝0时，判定拖拉机处于侧滑横摆耦合状态；

所述侧滑横摆耦合状态评价指标i_s的计算公式为：

前轴横摆：

或

后轴横摆：

式中，i_s的取值范围为[0，1]，i_s趋近于0时轮胎所受侧向力逐渐增大，i_s＝0时轮胎开始侧向滑动，拖拉机处于侧滑横摆耦合边界状态；F_{y_f}为车轮六分力传感器检测的两前轮实时侧向力之和，单位为N；F_{y_r}为车轮六分力传感器检测的两后轮实时侧向力之和，单位为N；f_{y_f}为地面作用在拖拉机两前轮上的侧向最大静摩擦力之和，单位为N；f_{y_r}为地面作用在拖拉机两后轮上的侧向最大静摩擦力之和，单位为N；

地面作用在拖拉机前轮和后轮上的最大静摩擦力计算公式为：

式中，F_z1为车轮六分力传感器检测的左前轮实时垂向力，单位为N；F_z2为车轮六分力传感器检测的右前轮实时垂向力，单位为N；F_z3为车轮六分力传感器检测的左后轮实时垂向力，单位为N；F_z4为车轮六分力传感器检测的右后轮实时垂向力，单位为N；μ为轮胎与地面之间的最大静摩擦系数；μ由拖拉机所在作业地区典型作业工况决定，在陀螺主动控制系统初次安装时设定；

S2.3、当侧倾偏载作业状态评价指标i_u处于[-0.5，0]范围内时，判定拖拉机处于高强度侧倾偏载作业状态；

所述侧倾偏载作业状态评价指标i_u的计算公式为：

式中，F_l为车轮六分力传感器检测的左前轮和左后轮实时垂向力之和，单位为N；F_r为车轮六分力传感器检测的右前轮和右后轮实时垂向力之和，单位为N；

S2.4、当峰值动力欠缺状态评价指标i_p处于(0.5，1]范围内时，判定拖拉机处于严重欠功率驱动作业状态；

所述峰值动力欠缺状态评价指标i_p的计算公式为：

式中，V_x为拖拉机实时车速，由GPS定位仪实时测量，单位为m/s；V_d为拖拉机目标车速，由电动拖拉机自身控制单元信号实时获取，单位为m/s；

S2.5、当i_r≠0、i_s≠0、0＜i_u≤0.5、0≤i_p≤0.5同时满足时，拖拉机处于正常行驶状态；

S3、当拖拉机处于侧翻边界状态时，当F_z2＝0或F_z4＝0，控制单元(11)判断拖拉机处于向左侧翻边界状态，控制单元(11)控制内框架力矩电机(5)驱动内框架(2)沿Z轴正方向以角速度ω_a1进动，外框架力矩电机(7)锁止外框架(9)，此时陀螺转子(4)进动产生与导致拖拉机向左侧翻的干扰力矩方向相反的输出力矩M_X’1经框架伺服机构及箱体(6)传递至拖拉机主机体，调整侧翻评价指标，使i_r≠0；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束；

当F_z1＝0或F_z3＝0，控制单元(11)判断拖拉机处于向右侧翻边界状态，控制单元(11)控制内框架力矩电机(5)驱动内框架(2)沿Z轴负方向以角速度ω_a2进动，外框架力矩电机(7)锁止外框架(9)，此时陀螺转子(4)进动产生与导致拖拉机向右侧翻的干扰力矩方向相反的输出力矩M_X’2经框架伺服机构及箱体(6)传递至拖拉机主机体，调整侧翻评价指标，使i_r≠0；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束；

S4、当拖拉机整机处于侧滑横摆耦合状态时，车轮六分力传感器检测到F_{y_f}方向指向拖拉机右侧或F_{y_r}方向指向拖拉机左侧，控制单元(11)判断拖拉机处于沿铅锤方向逆时针侧滑横摆耦合状态，控制单元(11)控制外框架力矩电机(7)驱动外框架(9)沿X轴正方向以角速度ω_b1进动，内框架力矩电机(5)锁止内框架(2)，此时陀螺转子(4)进动产生与拖拉机侧滑横摆方向相反的输出力矩M_Z’1经框架伺服机构及箱体(6)传递至拖拉机主机体，调整侧滑横摆耦合状态评价指标，使i_s≠0；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束；

当车轮六分力传感器检测到F_{y_f}方向指向拖拉机左侧或F_{y_r}方向指向拖拉机右侧，控制单元(11)判断拖拉机处于沿铅锤方向顺时针侧滑横摆耦合状态，控制单元(11)控制外框架力矩电机(7)驱动外框架(9)沿X轴负方向以角速度ω_b2进动，内框架力矩电机(5)锁止内框架(2)，此时陀螺转子(4)进动产生与拖拉机侧滑横摆方向相反的输出力矩M_Z’2经框架伺服机构及箱体(6)传递至拖拉机主机体，调整侧滑横摆耦合状态评价指标，使i_s≠0；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束；

S5、当拖拉机整机处于高强度侧倾偏载作业状态时，当F_li>F_ri，控制单元(11)判断拖拉机处于前进方向左侧高强度侧倾偏载作业；控制单元(11)控制内框架力矩电机(5)驱动内框架(2)沿Z轴正方向以角速度ω_a3进动，外框架力矩电机(7)锁止所述外框架(9)，此时陀螺转子(4)进动产生沿X轴正方向输出力矩M_X’3经框架伺服系统及箱体(6)传递至拖拉机主机体，改善整机横向载荷转移情况；当内框架(2)沿Z轴正方向以角速度ω_a3进动一定角度后，释放内框架力矩电机(5)力矩，保持内框架(2)自由浮动，控制外框架力矩电机(7)驱动外框架(9)沿X轴正方向以角速度ω_b3进动，此时陀螺转子(4)由于进动性带动内框架(2)向初始进动反方向运动；当内框架(2)回到初次进动初始位置时，内框架力矩电机(5)继续驱动内框架(2)沿Z轴正方向以角速度ω_a3进动，外框架力矩电机(7)锁止外框架(9)，此时陀螺转子(4)进动将产生沿X轴正方向输出力矩M_X’3经框架伺服系统及箱体(6)传递至拖拉机主机体，继续改善整机横向载荷转移情况，循环往复，保持对拖拉机侧倾偏载进行持续力矩补偿，调整侧倾偏载作业状态评价指标，使0＜i_u≤0.5；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束；

当F_li<F_ri，控制单元(11)判断拖拉机处于前进方向右侧高强度侧倾偏载作业，控制单元(11)控制内框架力矩电机(5)驱动内框架(2)沿Z轴负方向以角速度ω_a4进动，外框架力矩电机(7)锁止所述外框架(9)，此时陀螺转子(4)进动产生沿X轴负方向输出力矩M_X’4经框架伺服系统及箱体(6)传递至拖拉机主机体，改善整机横向载荷转移情况；当内框架(2)沿Z轴负方向以角速度ω_a4进动一定角度后，释放内框架力矩电机(5)力矩，保持内框架(2)自由浮动，控制外框架力矩电机(7)驱动外框架(9)沿X轴负方向以角速度ω_b4进动，此时陀螺转子(4)由于进动性带动内框架(2)向初始进动反方向运动；当内框架(2)回到初次进动初始位置时，内框架力矩电机(5)继续驱动内框架(2)沿Z轴负方向以角速度ω_a4进动，外框架力矩电机(7)锁止外框架(9)，此时陀螺转子(4)进动将产生沿X轴负方向输出力矩M_X’4经框架伺服系统及箱体(6)传递至拖拉机主机体，继续改善整机横向载荷转移情况，循环往复，保持对拖拉机侧倾偏载进行持续力矩补偿，调整侧倾偏载作业状态评价指标，使0＜i_u≤0.5；调整完成后，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束；

S6、当拖拉机整机处于严重欠功率驱动作业状态时，控制单元(11)将陀螺电机(8)的工作模式由充电储能模式切换为放电释能模式，即陀螺电机(8)由电动机状态切换为发电机状态运行，拖拉机驱动电机作为负载接入系统，陀螺转子(4)减速制动并将释放的电能与拖拉机车载蓄电池(13)直流母线并联入网，平稳补偿激增的拖拉机负载功率，调整峰值动力欠缺状态评价指标i_p，使0≤i_p≤0.5；调整完成后，陀螺电机(8)驱动陀螺转子(4)以低功耗缓慢加速运转，到达额定转速后系统进入能量保持状态，返回步骤S2继续判定状态，直至作业结束。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，控制单元(11)控制陀螺电机(8)的充放能控制模块调整陀螺电机(8)在电动机状态下工作，采用逆变器将拖拉机车载蓄电池(13)中的直流电转换成交流电供给陀螺电机(8)使用，陀螺电机(8)驱动陀螺转子(4)以低功耗缓慢加速运转到达额定转速，到达额定转速后系统进入能量保持状态。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S3～S5中，根据如下关系式调整侧翻边界状态、侧滑横摆耦合状态和高强度侧倾偏载作业状态：

式中，ω_ak为内框架轴相对于外框架(9)的角速度，单位为rad/s；ω_bk为外框架轴相对于箱体(6)的角速度，单位为rad/s；J为陀螺转子(4)的转动惯量，单位为kg·m²；ω_j为陀螺转子(4)的角速度，单位为rad/s；M_X’t、M_Z’t分别为拖拉机侧翻、侧滑横摆耦合、侧倾偏载控制沿X’、Z’轴所需输出的转矩，单位为N·m；θ为内框架轴相对于外框架(9)的角位置单位为rad；α为外框架轴相对于箱体(6)的角位置，单位为rad；其中，ω_j根据转速传感器检测的陀螺转子(4)的转轴速度获得，单位为rad/s；M_X’t、M_Z’t根据不同拖拉机型号，在初次安装时通过试验测量并设定；ω_ak、θ由内框架轴光电编码器(10)实时检测；ω_bk、α由外框架轴光电编码器(3)实时检测；

ω_ak中下角标ak为内框架轴相对于外框架(9)的角速度编号，其中，a1表示拖拉机向前进方向左侧翻控制时内框架轴角速度编号；a2表示拖拉机向前进方向右侧翻控制时内框架轴角速度编号；a3表示拖拉机处于前进方向左侧高强度侧倾偏载作业控制时内框架轴角速度编号；a4表示拖拉机处于前进方向右侧高强度侧倾偏载作业控制时内框架轴角速度编号；

ω_bk中下角标bk为外框架轴相对于箱体(6)的角速度编号，其中，b1表示拖拉机沿铅锤方向逆时针侧滑横摆耦合控制时外框架进动角速度编号；b2表示拖拉机沿铅锤方向顺时针侧滑横摆耦合控制时外框架进动角速度编号；b3表示拖拉机处于前进方向左侧高强度侧倾偏载作业控制时外框架进动角速度编号；b4表示拖拉机处于前进方向右侧高强度侧倾偏载作业控制时外框架进动角速度编号；

M_X’t中下角标X’t为陀螺主动控制系统沿X’轴控制所需输出的转矩编号，其中，X’1表示拖拉机向前进方向左侧翻控制时所需输出的转矩编号；X’2表示拖拉机向前进方向右侧翻控制时所需输出的转矩编号；X’3表示拖拉机处于前进方向左侧高强度侧倾偏载作业控制时所需输出的转矩编号；X’4表示拖拉机处于前进方向右侧高强度侧倾偏载作业控制时所需输出的转矩编号；

M_Z’t中下角标Z’t为陀螺主动控制系统沿Z’轴控制所需输出的转矩编号，其中，Z’1表示拖拉机沿铅锤方向逆时针侧滑横摆耦合控制时所需输出的转矩编号；Z’2表示拖拉机沿铅锤方向顺时针侧滑横摆耦合控制时所需输出的转矩编号。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法中，当同时存在多种失稳情况时，控制优先级为：侧翻控制优先于侧滑-横摆耦合控制，侧滑-横摆耦合控制优先于侧倾偏载控制，侧倾偏载控制优先于峰值动力补偿控制。

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