第1章 緒論

1.1 課題來(lái)源
移動(dòng)機(jī)械行駛的地形一般分為人工路面和非人工路面。非人工路面的地貌起伏不平、構(gòu)成復(fù)雜、路況多變且無(wú)法預(yù)知，如山地、荒野、地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)等等[1,2]。移動(dòng)機(jī)械在復(fù)雜的地形下行駛或作業(yè)需要具備較強(qiáng)的越障能力，為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)械在復(fù)雜地形下的高越障性能，各個(gè)國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)根據(jù)不同的作業(yè)需求和作業(yè)環(huán)境，開發(fā)出了多種形式的移動(dòng)機(jī)械[3,4]，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、建筑、運(yùn)輸、探測(cè)、救災(zāi)、軍事等方面[5,6,7]。

在諸多移動(dòng)式機(jī)械中，鉸接式車輛因其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[8,9,10]；為了增強(qiáng)車輛的越障能力，鉸接式車輛通常采用擺動(dòng)式橋架結(jié)構(gòu)，通過(guò)擺動(dòng)式橋架使車身繞縱向產(chǎn)生一定角度的擺動(dòng)[11,12,13]，這樣車輛在行進(jìn)時(shí)車輪能與地面充分接觸而獲得足夠的牽引力，如圖 1.1 所示。擺動(dòng)式橋架結(jié)構(gòu)雖然增強(qiáng)了車輛對(duì)地形的適應(yīng)性，改善了車輛的橫向穩(wěn)定性和通過(guò)性，但橋架的擺角一般在±8°~±13°之間，相對(duì)較小，，當(dāng)車輛在某些起伏很大、變化劇烈的地形下運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)造成部分車輪懸空，無(wú)法提供足夠的牽引力，影響了其對(duì)地形的通過(guò)能力，無(wú)法滿足工作需求[14,15]。

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1.2 研究背景和研究意義
針對(duì)現(xiàn)有的擺動(dòng)橋架式鉸接車?yán)@縱向擺動(dòng)角度小、地形適應(yīng)性和通過(guò)性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一種越障能力強(qiáng)的二自由度鉸接車體車輛，如圖 1.2 所示，它的前后車體之間能夠產(chǎn)生大角度的縱向擺動(dòng)，以適應(yīng)變化劇烈的地形。二自由度鉸接車體車輛的車體結(jié)構(gòu)布局可以使其作為一個(gè)移動(dòng)載體，安裝多種工作裝置，而且它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操控簡(jiǎn)便，具有良好的越障性能和強(qiáng)大的野外生存能力，能承擔(dān)不同領(lǐng)域、不同類型的作業(yè)任務(wù)，可以廣泛的應(yīng)用于山地作業(yè)、野外開荒、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)清理救援等。
隨著對(duì)無(wú)人操控車輛需求的增大以及通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外對(duì)于無(wú)人操控車輛的研究越來(lái)越重視。目前無(wú)人操控車輛已經(jīng)成功應(yīng)用到許多領(lǐng)域。在軍用領(lǐng)域，無(wú)人車輛可用于物資運(yùn)輸、搜救等，可以代替士兵完成危險(xiǎn)地帶的軍事任務(wù)，避免發(fā)生人員傷亡[16-17]。在民用領(lǐng)域，無(wú)人操控車輛應(yīng)用范圍更廣，如搶險(xiǎn)救災(zāi)，其工作環(huán)境一般較為惡劣，駕駛員操作工程車輛進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間操作會(huì)產(chǎn)生疲憊，容易發(fā)生事故，而采用無(wú)人操控車輛能避免事故發(fā)生，提高了安全性；在農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)作物的播種、收獲、施藥等需要控制運(yùn)動(dòng)路徑以避免損傷作物，人力操控車輛進(jìn)行作業(yè)時(shí)，精度差、效率低，而采用無(wú)人操控車輛可以進(jìn)行精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制，提高作業(yè)精度和生產(chǎn)效率；在危險(xiǎn)的環(huán)境中作業(yè)，如在有毒有害物質(zhì)的環(huán)境下或高危環(huán)境下，作業(yè)人員操控車輛進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)是有害健康的或不可行的，而采用無(wú)人操控車輛則能夠順利完成這樣的工作[18,19,20]。在二自由度鉸接車體車輛的基礎(chǔ)上配備無(wú)人操控系統(tǒng)，使其具備惡劣危險(xiǎn)環(huán)境下作業(yè)的能力和運(yùn)動(dòng)路徑精準(zhǔn)作業(yè)的能力，具有巨大實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益，因此對(duì)二自由度鉸接車體車輛的無(wú)人操控研究具有重要意義。而防傾翻預(yù)警及偏移控制作為無(wú)人操控技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題，需要加以系統(tǒng)的研究。

無(wú)論是實(shí)現(xiàn)車輛的無(wú)人操作還是傾翻預(yù)警，其前提條件都是需要對(duì)車輛越障過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模，分析車輛越障時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)二自由度鉸接車體車輛越障運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，可以為車輛的性能改進(jìn)提供技術(shù)支持，也能為車輛后續(xù)的無(wú)人操作控制系統(tǒng)和傾翻預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[24,25,26]。目前，移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)控制和穩(wěn)定性等問(wèn)題的研究已經(jīng)形成了較為完善的體系，雖然鉸接式車輛和移動(dòng)機(jī)器人的研究側(cè)重點(diǎn)不同，但是二者的基本結(jié)構(gòu)形式相似，結(jié)合鉸接式車輛穩(wěn)定性研究成果，把移動(dòng)機(jī)器人的研究理論和方法應(yīng)用在鉸接式車輛上，對(duì)于拓展和豐富具有鉸接車體的輪式車輛理論、擴(kuò)展其應(yīng)用范圍及提高其應(yīng)用價(jià)值具有深遠(yuǎn)的意義。

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第2章 二自由度鉸接車體車輛的結(jié)構(gòu)及性能分析

二自由度鉸接車體車輛前后車體間具有兩個(gè)相對(duì)自由度，這種結(jié)構(gòu)形式可以使車輛在復(fù)雜的地形下行進(jìn)時(shí)，保持全部車輪與地面的良好接觸，提高其越野性能。車輛越野性能的評(píng)價(jià)方式包括車輛的動(dòng)力特性、地形機(jī)動(dòng)能力、越障的穩(wěn)定性等。本章主要對(duì)二自由度鉸接車體車輛的結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)力特性和車輛越障時(shí)的幾何通過(guò)性進(jìn)行分析。

2.1 二自由度鉸接車體車輛結(jié)構(gòu)形式
二自由度鉸接車體車輛在設(shè)計(jì)過(guò)程中，參考國(guó)內(nèi)外的鉸接式移動(dòng)機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本車采用了包含前車架和后車架的兩段式車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，前車架和后車架分別安裝在前驅(qū)動(dòng)橋和后驅(qū)動(dòng)橋上，通過(guò)二自由度鉸關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)連接，如圖 2.1 a)所示。其中一個(gè)鉸關(guān)節(jié)為前后車架間的轉(zhuǎn)向鉸關(guān)節(jié)，前車架通過(guò)上下鉸接銷軸連接到鉸接座上，前車架和鉸接座之間連接有轉(zhuǎn)向液壓缸，轉(zhuǎn)向液壓缸的伸縮能使前車體繞上下鉸接銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)向；另一個(gè)鉸關(guān)節(jié)為前后車架之間的縱向擺動(dòng)鉸關(guān)節(jié)，鉸接座與主軸套固連，自潤(rùn)滑軸承與后車架固連，主軸套安裝在自潤(rùn)滑軸承中，使車輛的前驅(qū)動(dòng)橋和后驅(qū)動(dòng)橋可以通過(guò)自潤(rùn)滑軸承縱向擺動(dòng)，使車輛產(chǎn)生被動(dòng)適應(yīng)地形的能力，如圖 2.1 b)所示。車輛的前后車體采用二自由度鉸關(guān)節(jié)連接，能使車輛在越障時(shí)車輪充分和地面接觸，車輪的附著性能好，車輛能獲得充分的驅(qū)動(dòng)力，越野能力增強(qiáng)。

二自由度鉸接車體車輛的動(dòng)力系統(tǒng)直接決定了車輛的動(dòng)力性能和爬坡越障能力，車輛在平地、越野運(yùn)動(dòng)或者移動(dòng)作業(yè)時(shí)，車輛的速度和牽引力輸出變化很大，因此發(fā)動(dòng)機(jī)需具有較大的輸出功率變化范圍[118]。二自由度鉸接車體車輛采用雙橋驅(qū)動(dòng)，使?fàn)恳Φ母街阅芟啾葐螛蝌?qū)動(dòng)有顯著改善，有較好的操縱性、縱向穩(wěn)定性和良好的通過(guò)性，如圖 2.2 所示。

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2.2 二自由度鉸接車體車輛動(dòng)力性能
由式 2.9 和式 2.10 可以看出，二自由度鉸接車體車輛在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)，每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向速度不同，如果車輛穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)各車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不協(xié)調(diào)，則會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向時(shí)輪胎和地面發(fā)生滑移和剪切變形�？紤]到這一問(wèn)題，在二自由度鉸接車體車輛的設(shè)計(jì)中，在前后橋裝置了差速器，使每個(gè)車輪在轉(zhuǎn)向時(shí)按照各自的轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)，避免車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)前后橋出現(xiàn)干涉導(dǎo)致轉(zhuǎn)向阻力矩增大，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向滑移、輪胎磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象。
如果二自由度鉸接車體車輛的前后車體長(zhǎng)度相等，根據(jù)式 2.9 和式2.10，前后車體的轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向速度相等。在二自由度鉸接車體車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，前車體長(zhǎng)度比后車體長(zhǎng)度小，因此車輛在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向中，前車體的轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向速度大，通過(guò)給定前后車體間最大轉(zhuǎn)向角度1  和車體幾何參數(shù)，可以求得理論上車輛穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)的最小轉(zhuǎn)向半徑約為 3.97m。

二自由度鉸接車體車輛的越障能力與車輛的動(dòng)力性能有關(guān)，也與車輛的設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)。車輛在各種障礙地形下運(yùn)動(dòng)，在不發(fā)生傾翻的前提下，要最大限度的保證車輛對(duì)障礙的通過(guò)能力，這是車輛設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素。車輛的通過(guò)性是指在一定負(fù)載下，車輛通過(guò)各種路面（如土地、沙地、雪地、沼澤等）和通過(guò)各種障礙（坡道、臺(tái)階、路溝等）的能力[120]。因此通過(guò)性可以分為兩類，即支承通過(guò)性和幾何通過(guò)性[121,122,123]。支承通過(guò)性的指標(biāo)一般包括：牽引系數(shù)、牽引效率、燃油利用指數(shù)、附著質(zhì)量和附著質(zhì)量系數(shù)、車輛接地比壓等，它與車輛選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)形式、車體質(zhì)量等因素有關(guān)[124-127]。

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第 3 章 二自由度鉸接車體車輛的動(dòng)力學(xué)模型·············25
3.1 多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本理論··················· 25
3.2 二自由度鉸接車體車輛在復(fù)雜地形下的動(dòng)力學(xué)模型········· 27
第 4 章 二自由度鉸接車體車輛的穩(wěn)定性分析············41
4.1 二自由度鉸接車體車輛的靜態(tài)穩(wěn)定性·············· 41
4.1.1 二自由度鉸接車體車輛一級(jí)靜態(tài)穩(wěn)定性 ··········· 41
第 5 章 二自由度鉸接車體車輛的越障偏移現(xiàn)象研究·········65
5.1 二自由度鉸接車體車輛越障偏移現(xiàn)象和研究意義········· 65

5.2 二自由度鉸接車體車輛的運(yùn)動(dòng)學(xué)建�！ぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁ� 65

第6章 二自由度鉸接車體車輛的路徑偏移飽和控制

鉸接式工程車輛用于地下礦井運(yùn)輸，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面的作業(yè)時(shí)，只需要按照固定的路徑行進(jìn)就可以完成作業(yè)，這些地方一般都具有環(huán)境條件惡劣、作業(yè)量大、形式單一等特點(diǎn)，操作者現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)存在危險(xiǎn)系數(shù)高，工作效率低等弊端，而通過(guò)對(duì)車輛的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人操控作業(yè)，能夠避免惡劣的環(huán)境對(duì)操作者的傷害，可以提高生產(chǎn)效率，降低成本。目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些自動(dòng)化作業(yè)的車輛，如礦井鉸接式運(yùn)輸車、農(nóng)業(yè)播種機(jī)等。

二自由度鉸接車體車輛因其地形適應(yīng)能力強(qiáng)，功能上可擴(kuò)展性好，適用于多種工況，為了更好地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，在危險(xiǎn)惡劣環(huán)境中高效率作業(yè)，研究其無(wú)人操控技術(shù)極具應(yīng)用價(jià)值。車輛無(wú)人操控的核心是車輛的運(yùn)動(dòng)控制，而控制算法的優(yōu)劣則決定了整個(gè)車輛控制系統(tǒng)的好壞。鉸接式車輛在運(yùn)動(dòng)中，使車輛運(yùn)動(dòng)路徑偏離原路徑的因素很多，包括：車輪與地面相互作用產(chǎn)生的滑移、滑轉(zhuǎn)；每個(gè)車輪與地面接觸的滾動(dòng)摩擦系數(shù)不同引起的轉(zhuǎn)向阻力；車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中車輪驅(qū)動(dòng)力分配誤差；液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的柔性引起的轉(zhuǎn)向擾動(dòng)；車架裝配中，前后車體存在轉(zhuǎn)向偏差；前后車體的車橋相對(duì)擺動(dòng)引起的運(yùn)動(dòng)方向偏移等，由于上述問(wèn)題的存在，需要對(duì)二自由度鉸接車體車輛進(jìn)行路徑偏移控制。由于在工程應(yīng)用中普遍存在控制輸入飽和現(xiàn)象，目前對(duì)于輪式移動(dòng)機(jī)械的路徑偏移控制中，有關(guān)控制輸入飽和的問(wèn)題研究較少，因此針對(duì)二自由度鉸接車體車輛路徑偏移控制中執(zhí)行器飽和問(wèn)題的研究具有重要的意義。

6.1 執(zhí)行器飽和現(xiàn)象及研究方法

在工程應(yīng)用中，很多系統(tǒng)都具有非線性的特點(diǎn)，在非線性系統(tǒng)中，當(dāng)執(zhí)行器的輸入量較小時(shí)，輸出一般呈線性增加，當(dāng)輸入增大到一定程度時(shí)，輸出達(dá)到某一量值而不再增加，這種現(xiàn)象就稱為執(zhí)行器（控制輸入）飽和。執(zhí)行器飽和(actuatorsaturation)是在工程上普遍存在的現(xiàn)象，在線性系統(tǒng)中，一般控制輸入的大小是沒(méi)有約束區(qū)間的，可以取任意值，但是在實(shí)際的應(yīng)用中，所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都具有固有的物理約束[153,154]，如二自由度鉸接車體車輛的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制閥的閥口開度有限，液壓控制閥有最大流速的限制，由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力矩是有上限的，而且液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的液壓缸活塞桿伸長(zhǎng)量存在最大值，則轉(zhuǎn)向時(shí)前后車體間的轉(zhuǎn)向角度也在一定范圍內(nèi)變化，所以在對(duì)二自由度鉸接車體車輛進(jìn)行路徑偏移控制時(shí)，必須要考慮液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行器的控制飽和問(wèn)題。

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第7章 結(jié)論與展望

二自由度鉸接車體車輛相比普通的鉸接式車輛，地形適應(yīng)能力強(qiáng)，功能上可擴(kuò)展性好，可以應(yīng)用到很多的領(lǐng)域，有著巨大的發(fā)展前景。全面了解二自由度鉸接車體車輛的性能，實(shí)現(xiàn)車輛的無(wú)人化操作，需要分析車輛的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性，研究車輛的越障穩(wěn)定性和控制方法。

7.1 結(jié)論
二自由度鉸接車體車輛的前后車體之間存在擺動(dòng)，車輪和地面的接觸屬于三維空間，而普通的鉸接式車輛輪地接觸都在同一個(gè)平面內(nèi)，因此本文中采用了多剛體動(dòng)力學(xué)方法，建立了車輛在三維空間下運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型。因?yàn)檐囕v在越障過(guò)程中姿態(tài)變化明顯，液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的柔性會(huì)對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生影響，在車輛的動(dòng)力學(xué)建模中，加入了液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的柔性動(dòng)力學(xué)模型；

二自由度鉸接車體車輛采用無(wú)人操控的方式可應(yīng)用于危險(xiǎn)環(huán)境、提高生產(chǎn)效率，有著廣闊的應(yīng)用前景。本文采用了多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)方法建立了鉸接式工程車輛的運(yùn)動(dòng)誤差動(dòng)力學(xué)模型，用于研究車輛的路徑偏移控制。在設(shè)計(jì)控制算法時(shí)，考慮了控制輸入的飽和問(wèn)題，通過(guò)反步法（backstepping）設(shè)計(jì)了車輛路徑偏移控制時(shí)的抗飽和控制算法，通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了抗飽和控制算法的有效性。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：196234