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CN111717299A - 车辆自稳定驾驶舱及基于该驾驶舱的控制系统和方法 - Google Patents

车辆自稳定驾驶舱及基于该驾驶舱的控制系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于车辆领域，具体涉及一种车辆自稳定驾驶舱及基于该驾驶舱的控制系统和方法。包括具有俯仰及侧倾方向旋转自由度的驾驶舱、驾驶舱承载体，电机和电机控制器，电机和电机控制器有两组，分别控制驾驶舱俯仰和侧倾两个方向的姿态，俯仰控制电机通过可以实现单向自锁功能的蜗轮蜗杆传动机构与驾驶舱连接，侧倾控制电机通过蜗轮蜗杆传动机构与驾驶舱承载体连接；在轮胎上设置力传感器，驾驶舱上设置侧倾和俯仰角速度传感器。本发明通过电机实时调整驾驶舱的姿态，避免驾驶舱的侧倾和俯仰的角度变化过大，大大降低了路面颠簸对驾驶舱的影响，提高了驾驶员对复杂越野路面的适应能力；且通过蜗轮蜗杆实现自稳定驾驶舱的稳定控制功能。

Description

车辆自稳定驾驶舱及基于该驾驶舱的控制系统和方法
技术领域
本发明属于车辆领域，具体涉及一种车辆自稳定驾驶舱及基于该驾驶舱的控制系统和方法。
背景技术
越野特种车辆最重要的性能要求就是能够高速通过恶劣越野路面。而当越野特种车辆高速行驶在不平路面时会产生侧倾和俯仰运动，过大的侧倾及俯仰运动会严重影响驾驶员的操纵能力，甚至引起驾驶员判断失误，使得越野特种车辆会因为驾驶员的身体或心理安全感的大幅下降从而无法发挥出特种车辆应有的越野机动性，严重降低越野特种车辆的任务完成效率。目前越野车辆上主要通过优化悬架或稳定杆系统来提高车辆的越野机动性能，但是，悬架和稳定杆系统性能的提升受到控制行程及力矩容量的限制，只能在一定程度上减小车身的侧倾和俯仰，难以应对车辆发生大幅度侧倾及俯仰的恶劣行驶工况。因此，越野特种车辆自稳定驾驶舱系统的创新设计可以消除车辆侧倾及俯仰对于驾驶人员操纵能力的影响，从而充分发挥越野特种车辆对恶劣越野路面的适应能力。
中国发明专利申请“一种具有自稳定系统的高空作业车及其自稳定控制方法”(申请号：CN201610938477.3，公开日：2017.05.10)，公开了一种具有自稳定系统的高空作业车及其自稳定控制方法，该高空作业车自稳定系统包括车体总成、臂架支撑、臂架总成、液压支脚、平衡配重装置、控制盒、液压支腿水平变距位移传感器、臂架变幅角度传感器和臂架变幅油缸压力传感器等。该系统通过各传感器的反馈控制平衡配重的移动使其产生稳定力矩。但该自稳定系统存在的问题是：平衡配重的响应速度较慢，无法应对高机动性越野特种车辆的车身运动。
总之，现有技术存在的问题是：自稳定系统是针对高空作业车的举升过程引起的重心变化而设计的系统，无法适应高机动性越野特种车辆由于高速机动引发的侧倾和俯仰运动控制需求，其实时性也不能满足控制需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车辆自稳定驾驶舱及基于该驾驶舱的控制系统和方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种车辆自稳定驾驶舱，包括具有俯仰及侧倾方向旋转自由度的驾驶舱和驾驶舱承载体；
所述驾驶舱本身具有俯仰方向上的旋转自由度，驾驶舱承载体为驾驶舱提供侧倾方向上的旋转自由度。
进一步的，还包括实现控制驾驶舱俯仰方向旋转自由度的俯仰控制机构，和实现控制驾驶舱侧倾方向旋转自由度的侧倾控制机构。
进一步的，所述俯仰控制机构包括俯仰电机控制器，具有自锁功能的第一蜗轮蜗杆传动机构和俯仰控制电机；
所述俯仰控制电机通过可以实现单向自锁功能的第一蜗轮蜗杆传动机构与驾驶舱连接，所述俯仰电机控制器用于控制俯仰控制电机。
进一步的，所述侧倾控制机构包括侧倾电机控制器，具有自锁功能的第二蜗轮蜗杆传动机构和侧倾控制电机；
所述侧倾控制电机通过可以实现单向自锁功能的第二蜗轮蜗杆传动机构与驾驶舱承载体连接，所述侧倾电机控制器用于控制侧倾控制电机。
进一步的，所述第一和第二蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆的头数z1＝1且圆柱蜗杆上的导程角满足γ≤3°30'。
进一步的，所述驾驶舱与驾驶舱承载体之间，以及驾驶舱承载体与车身之间均使用轴承连接。
进一步的，所述自稳定驾驶舱为对称结构，避免在调节过程中发生运动干涉。
一种基于上述的驾驶舱的控制系统，在车辆的轮胎上设置力传感器，驾驶舱上设置侧倾和俯仰角速度传感器，为自稳定控制系统提供车辆参数输入；
所述控制系统包括控制阈值计算模块、自稳定控制模块和执行电机模块；
所述控制阈值计算模块以四个轮胎的垂向力为输入量，并根据四个轮胎的垂向力分析计算得出控制阈值Flag；
所述自稳定控制模块以控制阈值Flag和驾驶舱的动力学参数为输入，结合驾驶舱的动力学方程设计控制算法，输出驾驶舱姿态的修正扭矩T*；
所述执行电机模块包括俯仰电机控制器，第一蜗轮蜗杆传动机构，俯仰控制电机，第二蜗轮蜗杆传动机构，侧倾电机控制器，侧倾控制电机。
一种利用上述的控制系统进行自稳定控制的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：车辆轮胎上的力传感器为控制阈值计算模块提供四个轮胎的垂向力，控制阈值计算模块根据四个轮胎的垂向力分析计算得出控制阈值Flag；
步骤(2)：自稳定控制模块以控制阈值Flag和驾驶舱的动力学参数为输入，结合驾驶舱的动力学方程设计控制算法，输出驾驶舱姿态的修正扭矩T*；
步骤(3)：最后由俯仰电机控制器和侧倾电机控制器控制俯仰控制电机和侧倾控制电机驱动蜗轮蜗杆传动机构实时修正驾驶舱姿态。
进一步的，当Flag＝0时自稳定控制模块不工作，俯仰控制电机和侧倾控制电机不对驾驶舱产生作用力；当Flag＝1时自稳定控制模块工作，俯仰控制电机和侧倾控制电机实时修正驾驶舱姿态。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)机动性高：现有技术通过悬架系统来提高车辆的越野机动性，但是悬架系统的提升受到悬架控制行程及扭矩容量的限制。自稳定驾驶舱系统则通过电机实时调整驾驶舱的姿态，避免驾驶舱的侧倾和俯仰的角度变化过大，从而大大降低了路面颠簸对驾驶舱的影响，并提高了驾驶员对复杂越野路面的适应能力，尤其有利于驾驶员更大限度发挥越野特种车辆的动力性，增强越野特种车辆的越野机动性。
(2)可靠性高：自稳定驾驶舱系统利用电机驱动具有单向自锁功能的蜗轮蜗杆实时调整驾驶舱的姿态。当车辆在良好路面上行驶时，蜗轮蜗杆的单向自锁功能保证自稳定驾驶舱系统不受路面颠簸等条件的影响，自稳定控制不工作；当车辆在越野复杂路面上行驶时，自稳定驾驶舱系统判定车辆状态超过预设阈值，自稳定控制开始工作，通过蜗轮蜗杆实现自稳定驾驶舱的稳定控制功能。这种创新设计方案可以降低自稳定驾驶舱系统中机构的磨损，增加系统的可靠性和安全性。
附图说明
图1为本发明的越野特种车辆自稳定驾驶舱三维示意图。
图2为本发明的越野特种车辆自稳定驾驶舱平面结构示意图；其中图(a)为图(b)的局部放大图，图(b)为俯视图，图(c)为主视图。
图3为本发明的控制系统的工作原理图。
图4为本发明的控制系统的控制阈值计算原理图。
附图标记说明：
1-驾驶舱，2-车身，3-驾驶舱承载体，4-俯仰电机控制器，5-第一蜗轮蜗杆传动机构，6-俯仰控制电机，7-第二蜗轮蜗杆传动机构，8-侧倾电机控制器，9-侧倾控制电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明越野特种车辆自稳定驾驶舱系统，包括具有俯仰及侧倾方向旋转自由度的驾驶舱1，驾驶舱承载体3，电机6、9和电机控制器4、8。俯仰控制电机6通过可以实现自锁功能的蜗轮蜗杆传动机构5与驾驶舱1连接，侧倾控制电机8通过蜗轮蜗杆传动机构7与驾驶舱承载体3连接，驾驶舱1与驾驶舱承载体3之间、驾驶舱承载体3与车身2之间都使用轴承连接。
由于越野特种车辆自稳定驾驶舱系统要求驾驶舱1能够实时调节自身的姿态，自稳定驾驶舱1设计为对称结构，避免在调节过程中发生运动干涉。驾驶舱1本身具有俯仰方向上的旋转自由度，驾驶舱承载体3为驾驶舱提供侧倾方向上的旋转自由度。
所述蜗轮蜗杆传动机构5、7具备自锁功能，蜗杆的头数z1＝1且圆柱蜗杆上的导程角满足γ≤3°30′。在自稳定控制电机不工作时，驾驶舱1与驾驶舱承载体3和驾驶舱承载体3与车身2依靠蜗轮蜗杆的单向自锁特性进行固定，防止越野特种车辆在良好路面上行驶过程中，因为加速、减速或者转向导致驾驶舱1与车身2的姿态不同步，发生自旋转，影响良好路面上的驾驶体验。
本系统自稳定控制工作原理如图2所示，主要包括三个模块：控制阈值计算模块、自稳定控制模块和执行电机模块。首先越野特种车辆轮胎作用力传感器为越野特种车辆自稳定驾驶舱系统的控制阈值计算模块提供四个轮胎的垂向力。控制阈值计算模块根据四个轮胎的垂向力分析计算得出控制阈值Flag。控制阈值Flag将作为自稳定控制模块的工作开关，当Flag＝0时自稳定控制不工作，电机6、9不会对驾驶舱1产生作用力，当Flag＝1时自稳定控制工作，电机6、9实时修正驾驶舱1姿态。自稳定控制模块以控制阈值Flag和驾驶舱1的动力学参数为输入，结合驾驶舱1的动力学方程设计控制算法，输出驾驶舱1姿态的修正扭矩T*。最后由电机控制器4、8控制电机6、9驱动蜗轮蜗杆传动机构5、7实时修正驾驶舱1姿态。
具体的，图2控制阈值计算模块中的控制阈值Flag的计算分析方式如图3所示。图3以侧倾姿态控制阈值计算为例，主要分为两个部分，分别为车辆侧倾稳定性指标侧向载荷转移率LTR(Lateral-load Transfer Ratio)值计算和轮胎垂向力自身的分析判断。车辆侧倾稳定性指标侧向载荷转移率LTR是车辆运动过程中衡量侧翻临界点的数值，计算公式为：
Figure BDA0002529912550000051
式中，Fzr为外侧轮胎垂直载荷，Fzl为内侧轮胎垂向载荷。LTR的取值区间是[-1，1]。当LTR＝0时，左右侧车轮载荷相等，车辆不会发生侧翻；当LTR＝±1时，此时车辆一侧车轮载荷为零，将会发生侧翻。因此可以确定侧翻临界值LTR*＝k·LTRmax，其中k为安全系数，LTRmax＝±1。当LTR>LTR*时，Flag1＝1，否则Flag1＝0。
但是，LTR的极限值±1仅能表征单侧车轮载荷为零，无法体现两个以上或非同侧轮胎载荷为零时的情况。比如当四个轮胎的载荷都为零时，LTR计算公式的分母为零，无法计算。因此，所述控制阈值计算模块中还引入了分别对四个轮胎载荷直接评价的步骤，与LTR分析结合，共同决定控制阈值模块的输出。
所述轮胎载荷直接评价具体指当四个轮胎中只要有一个为0即输出Flag2＝1，否则输出Flag2＝0。最后将所述两种评价指标相结合：当Flag1+Flag2>0时，Flag＝1，否则Flag＝0。即当以上所述的两种评价指标中只要有一个符合控制要求，就给自稳定控制模块输入工作指令。
自稳定驾驶舱系统的俯仰姿态控制与侧倾姿态控制方法类似，主要区别在于控制阈值计算模块中载荷转移率的计算方式不同：侧倾姿态控制阈值计算模块采用的是侧向载荷转移率LTR(Lateral-load Transfer Ratio)；俯仰姿态控制阈值计算模块则采用的是纵向载荷转移率LTR(Longitudinal-load Transfer Ratio)。

Claims (10)

1.一种车辆自稳定驾驶舱，其特征在于，包括具有俯仰及侧倾方向旋转自由度的驾驶舱(1)和驾驶舱承载体(3)；
所述驾驶舱(1)本身具有俯仰方向上的旋转自由度，驾驶舱承载体(3)为驾驶舱提供侧倾方向上的旋转自由度。
2.根据权利要求1所述的驾驶舱，其特征在于，还包括实现控制驾驶舱俯仰方向旋转自由度的俯仰控制机构，和实现控制驾驶舱侧倾方向旋转自由度的侧倾控制机构。
3.根据权利要求2所述的驾驶舱，其特征在于，所述俯仰控制机构包括俯仰电机控制器(4)，具有自锁功能的第一蜗轮蜗杆传动机构(5)和俯仰控制电机(6)；
所述俯仰控制电机(6)通过可以实现单向自锁功能的第一蜗轮蜗杆传动机构(5)与驾驶舱(1)连接，所述俯仰电机控制器(4)用于控制俯仰控制电机(6)。
4.根据权利要求3所述的驾驶舱，其特征在于，所述侧倾控制机构包括侧倾电机控制器(8)，具有自锁功能的第二蜗轮蜗杆传动机构(7)和侧倾控制电机(9)；
所述侧倾控制电机(9)通过可以实现单向自锁功能的第二蜗轮蜗杆传动机构(7)与驾驶舱承载体(3)连接，所述侧倾电机控制器(8)用于控制侧倾控制电机(9)。
5.根据权利要求4所述的驾驶舱，其特征在于，所述第一和第二蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆的头数z1＝1且圆柱蜗杆上的导程角满足γ≤3°30'。
6.根据权利要求4所述的驾驶舱，其特征在于，所述驾驶舱(1)与驾驶舱承载体(3)之间，以及驾驶舱承载体(3)与车身(2)之间均使用轴承连接。
7.根据权利要求1所述的驾驶舱，其特征在于，所述自稳定驾驶舱(1)为对称结构，避免在调节过程中发生运动干涉。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的驾驶舱的控制系统，其特征在于，在车辆的轮胎上设置力传感器，驾驶舱(1)上设置侧倾和俯仰角速度传感器，为自稳定控制系统提供车辆参数输入；
所述控制系统包括控制阈值计算模块、自稳定控制模块和执行电机模块；
所述控制阈值计算模块以四个轮胎的垂向力为输入量，并根据四个轮胎的垂向力分析计算得出控制阈值Flag；
所述自稳定控制模块以控制阈值Flag和驾驶舱(1)的动力学参数为输入，结合驾驶舱(1)的动力学方程设计控制算法，输出驾驶舱(1)姿态的修正扭矩T*；
所述执行电机模块包括俯仰电机控制器(4)，第一蜗轮蜗杆传动机构(5)，俯仰控制电机(6)，第二蜗轮蜗杆传动机构(7)，侧倾电机控制器(8)，侧倾控制电机(9)。
9.一种利用权利要求8所述的控制系统进行自稳定控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：车辆轮胎上的力传感器为控制阈值计算模块提供四个轮胎的垂向力，控制阈值计算模块根据四个轮胎的垂向力分析计算得出控制阈值Flag；
步骤(2)：自稳定控制模块以控制阈值Flag和驾驶舱(1)的动力学参数为输入，结合驾驶舱(1)的动力学方程设计控制算法，输出驾驶舱(1)姿态的修正扭矩T*；
步骤(3)：最后由俯仰电机控制器(4)和侧倾电机控制器(8)控制俯仰控制电机(6)和侧倾控制电机(9)驱动蜗轮蜗杆传动机构实时修正驾驶舱(1)姿态。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当Flag＝0时自稳定控制模块不工作，俯仰控制电机(6)和侧倾控制电机(9)不对驾驶舱(1)产生作用力；当Flag＝1时自稳定控制模块工作，俯仰控制电机(6)和侧倾控制电机(9)实时修正驾驶舱(1)姿态。
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