重型特种装备车辆多轴协调速度控制方法研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:菊睿()男硕士:.通信作者:刘海平()男副教授:.:./.重型特种装备车辆多轴协调速度控制方法研究菊 睿李孝全刘海平张佳丽张文博(空军工程大学 防空反导学院西安)摘要:针对重型特种装备的停车定位对驾驶员的驾驶技术要求较高、有些场景需要驾驶员和指挥员协同工作、车辆的行驶轨迹偏移会导致效率低下以及车辆能耗增加的问题提出了重型特种装备车辆多轴协调速度控制方法合理控制车辆多轴协调运动轨迹降低车辆能源消耗 通过获取车辆虚拟主轴运动的速度与加速度作为约束条件采用三次样条插值法建立车辆虚拟主轴和从轴间的传动关系模型以约束条件和传动关系模型为基础结合 形速度控制算法设计车辆多轴协调运动最优速度控制模型实现车辆多轴协调速度控制 仿真结果表明所提方法可有效控制车辆主轴与从轴的位移、速度与角度有效控制车辆多轴协调周期性与理想参数差距较小控制精度较高可降低车辆的能源消耗提升车辆综合效率关键词:重型特种装备车辆多轴协调速度控制 样条曲线虚拟主轴电子凸轮本文引用格式:菊睿李孝全刘海平等.重型特种装备车辆多轴协调速度控制方法研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引言重型特种装备车辆的用途是运输单体超长、超重货物在军用与民用领域均有应用具备较优的越野性能与机动性能 在各种恶劣道路状况下均可安稳运输货物 但重型特种装备车辆的车体较大增加了车辆的能耗 通过研究车辆多轴协调运动轨迹可有效控制车辆多轴协调运动的位置与速度等相关参数确保车辆低能耗要求罗锦才等以增强学习为基础设计车辆运动轨迹控制方法通过三角函数获取轮胎的作用力以拟合方式得到车辆漂移数据与侧向力以车辆漂移为目标函数塑造车辆动力模型将其变更成 自由度系统该系统为线性的通过增强学习法获取该系统内最优控制策略实现车辆运动轨迹控制该方法可有效控制车辆运行轨迹控制效果稳定性较优杨波等依据规则分配扭矩的思想设计车辆运动轨迹控制方法该方法可合理分配车辆扭矩完成车辆运动轨迹控制提升车辆驱动系统效率降低能耗 但是这 种方法均只能实常规车辆的能耗控制在重型特征装备车辆中效果较差本文中为了能更好地解决非线性关系下的重型特种装备车辆的能耗问题设计一种最优速度控制模型 研究重型特种装备车辆多轴协调速度控制达到可降低车辆的能源消耗提升车辆综合效率的目的 重型特种装备车辆多轴协调运动轨迹.重型特种装备车辆多轴动力传动能耗问题分析本文中首先要分析车辆的多轴传动结构通过分析构造更好地了解能耗的问题 重型特种装备车辆多轴驱动的动力传动系统结构如图 所示 重型特种装备车辆多轴驱动动力传动系统将发动机输出的扭矩经由变速器、差速器、分动器与驱动桥传输到车轮实现车轮的转动 变速箱由更改挡位实现其输入输出转速与扭矩的变更符合繁琐行驶轨迹需求 分动器的作用是依据分扭比为每个驱动桥分配扭矩 差速器的作用是控制两侧驱动轮按照不同角速度运转完成驱动轮与地面间的纯运转形成较多的驱动力加强重型特种装备车辆的机动性 多轴驱动速度合理性是产生能耗的主要部分图 动力传动系统结构.约束条件计算通过分析重型特种装备车辆结构可以看出:车辆多轴传动的速度是否合理是决定能耗的主要原因 通常学者研究的都是线性曲线的重型特种装备车辆多轴协调速度控制但在实际的车辆运行条件下多数车辆是会产生非线性轨迹非均匀三次 样条曲线结构简单使用灵活得到了广泛的应用 曲线具备较优的局部控制效果因此本文选择非均匀三次 样条曲线设计传动关系模型 在这之前需要计算约束条件:车辆多轴传动关系的 曲线表达为:()()()其中:车辆多轴传动关系的对应顶点是()次规范 样条基函数是()节点矢量的非递减参数是 的序列是:通过 获取 次车辆多轴传动关系的分段多项式 曲线的递推公式为:()()()()()()当 时()否则()通过式()可获取不同次数时的 曲线表达式分析重型特种装备车辆多轴传动关系时需同时考虑车辆的速度与加速度等约束条件并递推传动关系为:()()()()其中 重型特种装备车辆多轴传动关系分析时速度与加速度菊 睿等:重型特种装备车辆多轴协调速度控制方法研究为不间断的因此选取三次 样条曲线展开插值获取车辆多轴协调传动关系控制顶点的一阶导数:()其中插值系数是 根据人工经验设定一般为 车辆多轴协调传动关系的控制顶点的二阶导数:()结合式()式()可获取重型特种装备车辆多轴协调运动时的速度与加速度作为约束条件:()()()()()()车辆多轴协调运动时需符合的速度约束条件:()()()其中符合车辆多轴协调运动需求的最大速度是 车辆多轴协调运动时需符合的速度约束条件为:()()().车辆多轴间的传动关系模型计算重型特种装备车辆多轴传动关系属于非线性运动电子凸轮能够在主轴与从轴间完成非线性传动与重型特种装备车辆多轴协调运动形式相同为此依据电子凸轮的虚拟主轴与从轴的传动原理 建立重型特种装备车辆多轴传动关系模型利用三次样条插值法(三次样条插值是通过一系列形值点的一条光滑曲线数学上通过求解三弯矩方程组得出曲线函数组的过程 实际计算时还需要引入边界条件才能完成计算 一般的计算方法都没有说明非扭结边界的定义但数值计算软件如 都把非扭结边界条件作为默认的边界条件)构造虚拟主轴和从轴间的传动关系模型三次样条插值电子凸轮表内代表车辆多轴协调运动轨迹的数个控制顶点确保表内运动轨迹控制顶点位置存在二阶不间断导数运动轨迹控制顶点间的区间是三次多项式因此建立获取的三次样条插值多项式函数()对于电子凸轮表模型存在以下关系:()在虚拟主轴各运动轨迹控制顶点间的区间 内均为三次多项式()在全区间内存在 次不间断导数针对随机运动轨迹控制顶点其传动关系式为:()()()()()()()()其中:车辆从轴位置是 车辆主轴位置是 前插系数是后插系数是()的一阶导数是()()的二阶导数是().车辆多轴间的传动关系模型计算依据.小节获取的约束条件和.小节获取的车辆多轴传动关系参数利用 形速度控制算法得到最优速度控制模型 形速度控制算法是对重型特种装备车辆多轴运动不同阶段的速度进行控制)车辆不同轴最大速度控制在车辆运动处于加加速段 时需确保车辆主轴运动通过 后其他轴速度需小于最大设置速度 因为 能够直接决定减加速段 所以需保证当前车辆主轴运动速度经过 后的速度低于 令车辆主轴运动处于 的某个周期时其当下加速度是 速度是 通过.小节获取进入 后经过第 周期车辆不同轴运动的相互关系为:()()()()()()其中的周期数是 则结束后处于的最大速度 为:()()()()()通过式()可求解 内随机周期内车辆多轴运动可达到的 当下一周期符合 那么进入 通过 形速度控制算法可确保车辆多轴运动达到 后保持不变)车辆多轴运动的减速控制通过提前减速的方式确保车辆精准停至目标位置车辆多轴运动减速处理的重点是:多轴运动速度曲线离散化后精准求解减速距离 就是分析车辆多轴运动速度控制的各周期中 和剩余距离 的大小令车辆多轴运动减速段的周期数是、分别对应加减速段、匀减速段、减减速段 利用.小节重新求解车辆多轴运动进入 时的加速度 依据式()获取的 求解 结束后第 个周期时车辆多轴运动的加速度、速度与运行距离为:()()()()()()()()()()()()()第 个周期时车辆多轴运动的加速度、速度与运行距离为:()()()()()()()()()()()第 个周期时车辆多轴运动的加速度、速度与运行距离为:()()()兵 器 装 备 工 程 学 报:/./()()()()()()()()()()结合式()、式()、式()获取车辆多轴运动处于减速段时的运行距离即减速段距离为:()车辆多轴运动的减速距离既包含 还包含减加速段距离 通过求和式()获取车辆多轴运动进入 时的为:()()()()()()()因此车辆多轴运动减速段的距离是 通过控制实现重型特种车辆多轴运动的减速处理 通过 形速度控制算法实现车辆多轴运动的最大速度处理与减速处理完成车辆多轴运动的最优速度控制 测试实验及结果分析.实验模拟环境建立以某重型特种装备车辆为实验对象该车辆的发动机是高速四冲程的 缸发动机分动器包含高低档重型特种装备车辆行驶过程中使用高档差速器选择对称式圆锥行星齿轮差速器变速器由固定轴式主变速器和行星轮式变速器构建而成 利用本文方法控制该车辆多轴协调运动轨迹验证本文方法多轴协调运动轨迹的控制效果 实验模拟环境如图 所示图 实验模拟环境.软件计算参数选定车型开始在 中建立整车模型 详细参数计算后设置如表 所示设置实验初始参数具体参数表 所示设定车辆规定轨迹其轨迹如图 所示表 整车建模仿真基本尺寸 名称符号值单位簧载质量 轴惯量半径.轴惯量半径.轴惯量半径.侧倾惯量.滚动惯量.转向惯量.参数参数 参数刚度测定位置纵向 刚度测定位置横向 扭转节点位置 引擎支撑纵轴刚度/纵轴阻尼/表 实验参数初始设置 序号参数设置值 个 次/步长.图 车辆规定轨迹图.菊 睿等:重型特种装备车辆多轴协调速度控制方法研究.利用 仿真实验利用 进行车辆多轴协调运动轨迹控制的仿真实验 是 仿真软件内一个图形化仿真工具具备动态系统建模、仿真与分析功能 支持离散系统与线性系统等系统的仿真具备可视化与开放性等优势利用 设置该车辆多轴协调运动为周期性运动车辆位移目标位置 利用本文方法、文献中的方法和文献中的方法控制该重型特种装备车辆多轴协调运动轨迹令车辆达到目标位置该车辆主从轴的位置、速度与加速度控制结果如图 和图 所示图 不同方法主轴加速度控制曲线.图 不同方法从轴位置、速度与加速度控制曲线.根据图 和图 可知 种方法控制后的车辆主从轴位移均能达到目标位置但是本文方法的车辆主从轴协调控制过程中速度与加速度曲线满足 形的速度与加速度控制需求且从轴速度与加速度的变化情况较平稳无过多波动同时没有突变情况发生但是对比方法虽然到达了目标位置但是在控制过程中位置波动较大并且速度与加速度的变化情况不佳出现多次明显波动不够平稳 实验证明:本文方法可有效控制重型特种装备车辆多轴协调运动过程中的位移、速度与加速度其具备了有效性利用 设置该车辆多轴协调运动为非周期性运动车辆位移轨迹按照图 规划轨迹设置分析 种方法在控制车辆多轴协调非周期性运动的运动轨迹控制结果如图 所示 根据图 可知本文方法可有效控制车辆多轴协调非周期性运动的运动轨迹其控制后的运动轨迹与轨迹运动轨迹差距非常小控制后的轨迹和规定轨迹基本一致确保车辆达到了目标位置但是对比方法均出现了较大的误差其运动轨迹与规定轨迹部分重合但是多数位置均偏离规定轨迹 实验证明:本文方法的轨迹控制最准确其可精准控制车辆多轴协调非周期运动轨迹有效提高了控制效果图 车辆多轴协调非周期性运动轨迹控制结果.利用 分析该车辆应用 种方法控制多轴协调兵 器 装 备 工 程 学 报:/./运动轨迹后车辆的综合效率、百公里油耗与节油率分析结果如表 所示表 综合效率、百公里油耗与节油率分析结果 车辆运行方式综合效率/百公里油耗/节油率/周期性运动应用前.文献方法.文献方法.本文方法.非周期性运动应用前.文献方法.文献方法.本文方法.根据表 可知在车辆处于周期性运动与非周期性运动时应用本文方法后车辆的综合效率均有所提升百公里油耗均显著下降节油率均明显提升文献方法在三方面也有一定幅度的提升但是其提升幅度远远低于本文方法 实验证明:应用本文方法后可有效降低车辆的能源消耗提升车辆综合效率 结论依据重型特种装备车辆多轴协调动力传动系统的传动特性研究重型特种装备车辆多轴协调运动轨迹合理控制车辆多轴协调运动轨迹确保车辆到达指定位置降低车辆能源消耗 仿真实验部分主要工作如下:)仿真实验首先利用 软件计算参数 得到了整车建模的相关参数和数据)利用 进行车辆多轴协调运动轨迹控制的仿真实验令车辆达到目标位置测量该车辆主从轴的位置、速度与加速度控制结果)通过仿真实验验证了本文方法车辆多轴协调运动轨迹控制的有效性 设计车辆多轴协调运动轨迹控制方法可促进重型特种装备车辆的发展扩展其应用领域参考文献:南海峰阴元罡郭帅.某军用多轴特种汽车转向模式浅析.汽车实用技术():.():.刘悦刘明磊.特种重型车辆惯性参数测量方法仿真分析.机械研究与应用():.():.杜志朋林恕锋董明明.重型越野车辆油气弹簧设计与验证.液压与气动():.():.宁满旭王三舟巴腾跃等.无人驾驶重型汽车 控制算法及仿真.重庆理工大学学报(自然科学)():.()():.钟恒李广含曾小华等.多轴特种混动车辆工况自适应驱动力分配控制.中国机械工程():.():.罗锦才刘暾东.基于增强学习的车辆转弯制动横向轨迹控制.计算机仿真():.():.杨波白锦洋李洪彪等.多轴重型电驱车扭矩分配控制策略研究.西北工业大学学报():.():.徐杨陆丽萍褚端峰等.无人车辆轨迹规划与跟踪控制的统一建模方法.自动化学报():.():.胡家铭胡宇辉陈慧岩等.基于模型预测控制的无人驾驶履带车辆轨迹跟踪方法研究.兵工学报():.菊 睿等:重型特种装备车辆多轴协调速度控制方法研究 .():.孙秦豫付锐王畅等.人机协作系统中车辆轨迹规划与轨迹跟踪控制研究.中国公路学报():.():.何德峰徐广琪李海平.自主车辆高效滚动时域轨迹规划与跟踪控制.浙江工业大学学报():.():.顾曹源朱俊威张文安等.网络化多轴运动控制系统的容侵同步控制.控制与决策():.():.吴言穗王瑶为俞立等.多轴运动控制系统的非线性 交叉耦合控制.控制工程():.():.胡呈祖周军连.基于 的多轴运动控制器的设计.机床与液压():.():.梁忠超张欢赵晶等.基于自适应 的无人驾驶车辆轨迹跟踪控制.东北大学学报(自然科学版)():.()():.科学编辑 雷雨龙 博士(吉林大学教授、博导)责任编辑 徐佳忆(上接第 页)邓辉咏马吉胜刘海平等.弹丸前定心部间隙对炮口扰动规律仿真研究.科技通报():.():.张月星李强.浅谈火炮身管加工工艺.装备制造技术():.():.张楠吕超然徐乐.火炮身管用钢现状及发展趋势.中国冶金():.():.科学编辑 蓝维彬 博士(成都理工大学讲师)责任编辑 唐定国兵 器 装 备 工 程 学 报:/./