CN104986221A - 一种静液压-机械驱动式履带底盘离散跟随转向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及履带底盘的转向控制领域，尤其是一种静液压-机械驱动式履带底盘离散跟随转向控制方法。它包括预处理阶段、离散化阶段和转向跟随阶段。本发明有利于实现静液压-机械驱动式履带底盘的转向盘式转向电控***，可改善静液压-机械驱动式履带底盘的转向操纵性能及安全性能，转向轨迹更接近驾驶人员意图，降低驾驶人员操作劳动强度，且成本较低，对驱动桥的磨损影响不大。

Description

一种静液压-机械驱动式履带底盘离散跟随转向控制方法

技术领域

本发明涉及履带底盘的转向控制领域，尤其是一种静液压-机械驱动式履带底盘离散跟随转向控制方法。

背景技术

履带底盘的转向是通过两侧驱动轮之间的差速来实现的，控制差速的准确性是整机能够按照驾驶员的意图进行转向行驶的保证。根据履带底盘不同的驱动形式，实现两侧驱动轮差速及控制的方式也多种多样。静液压-机械驱动是一种将静液压技术与机械式驱动桥相结合的履带动力底盘驱动方式，由于结构简单，成本低，性能可靠，其在履带式农业机械中得到了广泛使用。该种方式通过静液压驱动实现整机一定范围内无级变速，并通过机械式驱动桥完成动力到驱动轮的最后传递。该驱动桥中大多装有一对离合制动器，以独立控制两侧输出轴的离合制动，离合器是牙嵌式的，只有通断两种模式，而无法实现驱动轮无极差速。在转向控制过程中，是通过控制转向轨迹内侧的拨叉克服弹簧力转动而完成的。因此，采用此种驱动方式的履带底盘在每次操纵杆作用时仅有一种转向半径。在改变转向半径时，只能凭借作业人员经验采用手动“点刹”的方式，可操纵性及安全性较低。另外，随着农用作业机械自动化程度的不断提高，此类履带底盘的遥控作业也得到越来越多的关注，转向控制也成为其中的重点研究内容。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可改善静液压-机械驱动式履带底盘的转向可操作性能及安全性能的静液压-机械驱动式履带底盘离散跟随转向控制方法。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种静液压-机械驱动式履带底盘离散跟随转向控制方法，它包括预处理阶段、离散化阶段和转向跟随阶段，具体包括以下步骤：

a.输入初始直线行驶车速和方向盘转角；

b.根据输入的初始直线行驶车速、方向盘转角、道路阻力参数以及履带底盘结构参数，计算基于打滑条件下的转向角速度、内侧履带绕卷速度和理论转向周期；

c.根据机械驱动桥响应回复时间确定离散时间段，根据离散时间段将理论转向周期离散化，得到离散区间数，进而确定每一离散时间段内履带底盘理论行驶方向转角和行驶距离及在驱动桥拨叉作用与否的两种状态下的履带底盘的实际行驶轨迹的行驶距离和行驶方向转角；

d.在每一离散时间段开始前，计算当前履带底盘行驶方向和位置与当前理论履带底盘行驶方向和位置之间的误差；

e.根据判断规则，确定驱动桥拨叉作用状态；

在每一离散区间内，所述判断规则如下：

若底盘位置大于实际轨迹位置偏离区间的上限，且行驶方向小于实际轨迹方向角度偏离区间下限，或者底盘位置位于实际轨迹位置偏离区间上、下限内，或者底盘位置小于实际轨迹位置偏离区间的下限，且行驶方向不大于实际轨迹方向角度偏离区间上限，均无拨叉作用；若底盘位置大于实际轨迹位置偏离区间的上限，且行驶方向不小于实际轨迹方向角度偏离区间下限，或者底盘位置小于实际轨迹位置偏离区间的下限，且行驶方向大于实际轨迹方向角度偏离区间上限，则内侧拨叉作用；

f.更新当前实际及理论履带底盘行驶方向和位置；

g.判断输入的初始直线行驶车速和和方向盘转角是否变化，如是，则本轮控制结束，如否，则跳转至步骤d。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明有利于实现静液压-机械驱动式履带底盘的转向盘式转向电控***，可改善静液压-机械驱动式履带底盘的转向操纵性能及安全性能，转向轨迹更接近驾驶人员意图，降低驾驶人员操作劳动强度，且成本较低，对驱动桥的磨损影响不大。

附图说明

图1为本发明的离散跟随转向轨迹的示意图；

图2为本发明的静液压-机械驱动式履带底盘离散跟随转向控制方法的流程图。

【主要组件符号说明】

1 单离散区间内驱动桥转向内侧拨叉作用的底盘行驶轨迹，简化为行驶方向向内侧偏转一个角度的直线行驶段；

2 单离散区间内无驱动桥拨叉作用的底盘行驶轨迹，直线行驶段

3 理论转向轨迹

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明，但并不以此为限。

图1为本发明的离散跟随转向轨迹的示意图；图2为本发明的静液压-机械驱动式履带底盘离散跟随转向控制方法的流程图。

本发明的静液压-机械驱动式履带底盘离散跟随转向控制方法是根据拨叉响应和复位时间确定离散的小时间段Δt，根据Δt把由初始直线行驶车速v和方向盘转角α计算出来的理论转向周期T离散化，即将转向控制问题转化为如何在每个离散的小时间段Δt内确定拨叉的作用，使得整机的整个转向轨迹及转向角速度ω与理论值尽可能地接近。

由于转向过程是以驾驶操作人员的控制意图为基础的，所以整个转向过程依赖人的参与。为了降低控制***的复杂性和提高***可靠性，减小机械驱动桥的磨损和降低执行器的作用频率，本控制方法采用不涉及反馈控制的开环控制方式。

实际底盘行驶轨迹实时跟随理论转向轨迹3，理论转向轨迹3按照理论转向过程实时变化，即在每Δt前根据当前底盘实际轨迹相对于当前理论转向轨迹3的位置、行驶方向等判断此Δt内的拨叉的作用状态。拨叉作用为开关量，当一侧的拨叉克服弹簧力转动，则履带式动力底盘绕其内侧履带做固定半径的旋转运动，在每个离散的时间段Δt内独立地来看，此过程的转向轨迹形状及履带底盘行驶方向转角不变。由于离散时间段较短，模型中可用直线位移来替代这段理论转向轨迹3，但是经过这个过程后，整机的行驶方向偏转了一个固定的角度。如果无拨叉作用，则整机做直线运动，运动方向不改变，在固定的离散时间段Δt内，行驶距离也为固定值。静液压-机械驱动式履带动力底盘的实际转向轨迹可简化为由若干个小直线段组成的近似曲线，如图1所示，图中理论转向轨迹3可近似为若干个小直线段，所述小直线段包括两种：直线行驶段2；在内侧拨叉作用下，向内侧偏转一个角度的直线行驶段1。基于减少对机械式驱动桥的磨损的考虑，在实际控制过程中，控制器在对转向方向进行判断后，仅对转向内侧的拨叉进行控制。

本发明的静液压-机械驱动式履带底盘离散跟随转向控制方法包括：

预处理阶段：输入初始直线行驶车速与方向盘转角；根据输入的初始直线行驶车速与方向盘转角、履带底盘结构参数以及道路阻力参数，计算基于打滑条件下的转向参数：转向角速度、内侧履带绕卷速度和理论转向周期；

离散化阶段：根据机械驱动桥响应回复时间确定离散时间段，根据离散时间段将理论转向周期离散化，得到离散数，进而确定每一离散时间段内履带底盘理论行驶方向转角和行驶距离及在驱动桥拨叉作用与否的两种状态下的履带底盘的实际行驶轨迹的行驶距离和行驶方向转角；

转向跟随阶段：在每一离散时间段开始前，计算当前履带底盘行驶方向和位置与当前理论履带底盘行驶方向和位置之间的误差；根据判断规则，确定拨叉作用状态；

更新当前实际及理论履带底盘行驶方向和位置；

实际履带底盘转向轨迹通过控制每一离散时间段内拨叉作用状态，实时跟随理论轨迹，该轨迹根据理论转向过程实时变化。

如图2所示，本发明的静液压-机械驱动式履带底盘离散跟随转向控制方法，具体包括如下步骤：

预处理阶段

a.输入初始直线行驶车速v，若履带底盘已在转向行驶过程中，则初始直线行驶车速v等于转向外侧履带绕卷线速度v₁；输入方向盘转角α，确定理论转向半径R及相对理论转向半径ρ；

b.根据输入的初始直线行驶车速v和方向盘转角α、道路阻力参数(道路阻力系数f和最大转向阻力系数μ_max)以及履带底盘结构参数(履带接地段长度L、履带底盘轨距B)，计算基于打滑条件下的各项转向参数，如转向角速度ω、内侧履带绕卷速度v₂和理论转向周期T；

为了在静液压-机械驱动式履带动力底盘的转向控制中更为精确地分析其转向过程中的运动学特性，应考虑到履带接地段的打滑条件。在考虑打滑条件后，对于给定的初始直线行驶车速v和方向盘转角α，打滑条件下的外、内侧履带绕卷速度之比K_v、转向角速度ω和理论转向周期T的计算式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{a_2}{4}\ln \frac{\sqrt{1+{a_2}^2}+1}{\sqrt{1+{a_2}^2}-1}-\frac{a_1}{4}\ln \frac{\sqrt{1+{a_1}^2}+1}{\sqrt{1+{a_1}^2}-1}\\ \frac{f(0.925+0.15\mathrm{\λ})}{{\mathrm{\μ}}_{\max }}=0\\ (\frac{{a_2}^2\mathrm{\λ}}{2}+a_2)\ln \frac{\sqrt{1+{a_2}^2}+1}{\sqrt{1+{a_2}^2}-1}+(\frac{{a_1}^2\mathrm{\λ}}{2}+a_1)\ln \frac{\sqrt{1+{a_1}^2}+1}{\sqrt{1+{a_1}^2}-1}\\ \mathrm{\λ}(\sqrt{1+{a_2}^2}+\sqrt{1+{a_1}^2})=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：

a₁——外侧履带转向横向相对偏移量；

a₂——内侧履带转向横向相对偏移量；

λ——履带底盘结构参数，λ＝L/B，L是履带接地段长度，B是履

带底盘轨距；

f——道路阻力系数；

μ_max——最大转向阻力系数；

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2}\frac{(1+{\mathrm{\λa}}_1)+K_v(1+{\mathrm{\λa}}_2)}{1-K_v}---\left(2\right)$

式中：

ρ——相对转向半径，ρ＝R/B，R为理论转向半径，B是履带底盘轨距；

a₁——外侧履带转向横向相对偏移量；

a₂——内侧履带转向横向相对偏移量；

λ——履带底盘结构参数，λ＝L/B；

K_v——外、内侧履带绕卷速度之比；

$\mathrm{\ω}=\frac{v_2-v_1}{B+A_1+A_2}---\left(3\right)$

ω——转向角速度；

v₁——外侧履带绕卷速度；

v₂——内侧履带绕卷速度，v₂＝v₁/K_v；

A₁——外侧履带转向横向偏移量，A₁＝a₁L/2；

A₂——内侧履带转向横向偏移量，A₂＝a₂L/2；

T＝2π/ω          (4)

ω——转向角速度；

通过上述式1-4计算打滑条件下的外、内侧履带绕卷速度之比K_v、转向角速度ω和理论转向周期T的具体方法如下：

首先，履带底盘结构参数λ、道路阻力系数f、最大转向阻力系数μ_max为已知量，通过式1的二元方程组可以求出外侧履带转向横向相对偏移量a₁、内侧履带转向横向相对偏移量a₂；

其次，根据式2可以求出外、内侧履带绕卷速度之比K_v，其中，相对转向半径ρ、外侧履带转向横向相对偏移量a₁、内侧履带转向横向相对偏移量a₂、履带底盘结构参数λ均为已知量；

然后，根据外侧履带转向横向偏移量A₁＝a₁L/2；内侧履带转向横向偏移量A₂＝a₂L/2；内侧履带绕卷速度v₂＝v₁/K_v，可以分别求出外侧履带转向横向偏移量A₁、内侧履带转向横向偏移量A₂和内侧履带绕卷速度v₂；

然后，根据式3可以求出转向角速度ω，其中，外侧履带转向横向偏移量A₁、内侧履带转向横向偏移量A₂、外侧履带绕卷速度v₁、内侧履带绕卷速度v₂和履带底盘轨距B均为已知量；

最后，根据式4可以求出理论转向周期T。

离散化阶段

c.离散化阶段：根据机械驱动桥响应回复时间确定离散时间段Δt，根据Δt把理论转向周期T离散化，得到离散区间数N＝T/Δt。当初始直线行驶车速v和方向盘转角α输入后，履带底盘理论转向轨迹在每一离散时间段Δt内理论行驶方向转角及行驶距离由当前车辆速度和Δt确定；同时，根据基于打滑条件下的履带底盘转向算法计算出履带底盘实际转向轨迹在每一离散时间段Δt内驱动桥拨叉作用与否两种状态下的履带底盘的实际行驶轨迹的行驶距离和行驶方向转角；

转向跟随阶段

d.在每一离散时间段Δt开始前，计算当前履带底盘行驶方向和位置与当前理论履带底盘行驶方向和位置之间的误差，即取当前履带底盘行驶方向和位置与当前理论履带底盘行驶方向和位置之间的差的绝对值；

e.根据判断规则，确定驱动桥拨叉作用状态；

判断规则如下面表1所示，其中R_p为实际轨迹位置偏离区间，R_θ为实际轨迹方向角度偏离区间。

表1驱动桥拨叉作用判断规则

则根据表1中的内容，判断规则为：其中R_p为实际轨迹位置偏离限区间，R_p的上限为(1+2.5％)ρ，下限为(1-2.5％)ρ，其中ρ为相对转向半径(ρ＝R/B，R为转向半径，B是履带底盘轨距)；R_θ为实际轨迹方向角度偏离限区间，R_θ的上限为实际轨迹在离散时间段Δt内行驶方向转角下限为实际轨迹在离散时间段Δt内行驶方向转角其中x为实际轨迹在离散时间段Δt内行驶方向转角与理论轨迹在离散时间段Δt内行驶方向转角(理论轨迹在离散时间段Δt内行驶方向转角为360度除以离散区间数N)之差的绝对值。

若底盘位置大于R_p区间的上限，且行驶方向小于R_θ区间下限，或者底盘位置位于R_p区间上、下限内，或者底盘位置小于R_p区间的下限，且行驶方向不大于R_θ区间上限，均无拨叉作用；若底盘位置大于R_p区间的上限，且行驶方向不小于R_θ区间下限，或者底盘位置小于R_p区间的下限，且行驶方向大于R_θ区间上限，则内侧拨叉作用。

f.更新当前实际及理论履带底盘行驶方向和位置；

g.判断输入的初始直线行驶车速v和方向盘转角α是否变化，

如是，则本轮控制结束，如否，则跳转至步骤d。

Claims (1)

1.一种静液压-机械驱动式履带底盘离散跟随转向控制方法，其特征在于：它包括预处理阶段、离散化阶段和转向跟随阶段，具体包括以下步骤：

a.输入初始直线行驶车速和方向盘转角；

b.根据输入的初始直线行驶车速、方向盘转角、道路阻力参数以及履带底盘结构参数，计算基于打滑条件下的转向角速度、内侧履带绕卷速度和理论转向周期；

c.根据机械驱动桥响应回复时间确定离散时间段，根据离散时间段将理论转向周期离散化，得到离散区间数，进而确定每一离散时间段内履带底盘理论行驶方向转角和行驶距离及在驱动桥拨叉作用与否的两种状态下的履带底盘的实际行驶轨迹的行驶距离和行驶方向转角；

d.在每一离散时间段开始前，计算当前履带底盘行驶方向和位置与当前理论履带底盘行驶方向和位置之间的误差；

e.根据判断规则，确定驱动桥拨叉作用状态；

在每一离散区间内，所述判断规则如下：

若底盘位置大于实际轨迹位置偏离区间的上限，且行驶方向小于实际轨迹方向角度偏离区间下限，或者底盘位置位于实际轨迹位置偏离区间上、下限内，或者底盘位置小于实际轨迹位置偏离区间的下限，且行驶方向不大于实际轨迹方向角度偏离区间上限，均无拨叉作用；若底盘位置大于实际轨迹位置偏离区间的上限，且行驶方向不小于实际轨迹方向角度偏离区间下限，或者底盘位置小于实际轨迹位置偏离区间的下限，且行驶方向大于实际轨迹方向角度偏离区间上限，则内侧拨叉作用；

f.更新当前实际及理论履带底盘行驶方向和位置；

g.判断输入的初始直线行驶车速和和方向盘转角是否变化，如是，则本轮控制结束，如否，则跳转至步骤d。