夏 光， 唐希雯， 汪韶杰， 彭建剛

（1.合肥工業(yè)大學 汽車工程技術研究院，安徽 合肥 230009；2.解放軍電子工程學院 雷抗系，安徽 合肥 230037）

平衡重式叉車行駛路況復雜，工作環(huán)境惡劣，側(cè)翻事故高發(fā)［1］。平衡重式叉車在低附著系數(shù)路面行駛時，車輪的側(cè)向力不會無限制增長，常常會接近附著極限或達到飽和狀態(tài)，使平衡重式叉車在實際轉(zhuǎn)向行駛方向時常常偏離正常軌跡，從而出現(xiàn)側(cè)滑、自旋甚至側(cè)翻等喪失穩(wěn)定性的危險情況［2－3］。

本文針對內(nèi)燃平衡重叉車進行了液壓系統(tǒng)局部改造升級，在轉(zhuǎn)向后橋的單支撐點兩側(cè)加裝電磁閥控制的鎖止液壓油缸，當叉車發(fā)生側(cè)傾和失去穩(wěn)定性時，通過電磁閥控制鎖止油缸將車架與后橋連接，使平衡重式叉車的三角形支撐面變成不等邊梯形支撐面，改善極限工況下的橫向穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)硬件電路設計與實現(xiàn)

硬件設計主要是電子控制單元的硬件設計，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它表明了內(nèi)燃平衡重叉車橫向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的基本電路結(jié)構(gòu)及工作過程。主要包括：單片機和最小系統(tǒng)電路、點火系統(tǒng)供電電路、車速信號調(diào)理電路、橫擺角速度ω、質(zhì)心側(cè)偏角、載荷W 和方向盤轉(zhuǎn)角等模擬信號調(diào)理電路；貨叉高度、門架前傾限位和制動等開關信號調(diào)理電路；電磁閥驅(qū)動電路和故障診斷通信電路。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 MC9S12XS128及其最小系統(tǒng)

內(nèi)燃平衡重叉車橫向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)選用飛思卡爾16位單片機MC9S12XS128作為控制器的核心單元。MC9S12XS128是112腳封裝的一款高性能16位單片機，具有速度快、功能強、成本低、功耗低等特點。由于 MC9S12XS128具有4個16位定時器、8通道12位ADC、內(nèi)嵌MSCAN模塊、8通道脈寬調(diào)制器（PWM）以及多個外部中斷管腳，使其特別適用于車輛、工業(yè)控制應用［4］。

最小系統(tǒng)是指該處理器能正常工作所必須的條件，主要包括電源時鐘、復位和BDM接口，如果芯片沒有片內(nèi)程序存儲器，則還要加上存儲器系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)硬件電路設計

（1）車速信號調(diào)理電路。該電路主要包括電壓比較器、巴特沃思濾波、電平轉(zhuǎn)換和隔離限幅電路，把車速（v）等正弦信號轉(zhuǎn)化為處理器可以識別的較高精度的脈沖信號，傳遞給處理器的捕獲口供采集，以提供車速信息。

（2）橫擺角速度等模擬信號調(diào)理電路。該電路主要通過一階低通濾波電路對橫擺加速度、質(zhì)心側(cè)偏角、載荷和方向盤轉(zhuǎn)角信號進行濾波，再通過穩(wěn)壓二極管進行限幅，最終送到單片機的A／D口進行采集。

（3）貨叉高度等開關信號調(diào)理電路。該電路主要通過光耦對貨叉高度、門架前傾限位和制動等開關量信號進行處理，然后送至處理器的I／O口以供采集。

（4）電磁閥驅(qū)動電路。該電路的主要功能是驅(qū)動比例電磁閥，進而改變左右后輪軸鎖止油缸油路油壓，完成對叉車車架與后軸的逐漸連接與分離，并最終實現(xiàn)叉車的支撐平面由三角形變成不等邊梯形。電磁閥驅(qū)動電路采用英飛凌智能功率驅(qū)動芯片BTS824，即由單片機輸出控制信號控制驅(qū)動芯片BTS824，驅(qū)動芯片再輸出控制左右后輪軸鎖止油缸比例電磁閥，實現(xiàn)叉車車架與后軸的連接與分離控制操作。

（5）故障診斷電路。該電路功能利用控制器監(jiān)視傳感器、單片機最小系統(tǒng)和電磁閥等各組成部分的工作情況，發(fā)現(xiàn)故障后自動啟動故障運行程序，將故障以代碼的形式（此代碼為設計時已經(jīng)約定好）存入Flash存儲器，同時通過故障指示燈提醒駕駛員和維修人員電控系統(tǒng)中出現(xiàn)故障。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS－II

μC／OS－II是一種免費公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)，具有可靠性高、移植性強、占用資源少、裁剪方便以及源碼公開等諸多優(yōu)點。一個移植了實時嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)平臺可以讓開發(fā)人員把繁瑣的調(diào)度交給操作系統(tǒng)，集中精力于模塊本身功能的實現(xiàn)，高效率高質(zhì)量地開發(fā)完成車輛電控單元，大大縮短應用產(chǎn)品的開發(fā)周期，增強整個系統(tǒng)在實際應用中的可靠性，提高產(chǎn)品的經(jīng)濟效益［5－6］。

μC／OS－II內(nèi)核包含了任務管理、時間管理、內(nèi)存管理及進程間通信4個部分。

2.2 移植μC／OS－II到 MC9S12XS128

根據(jù)μC／OS－II的要求，移植 μC／OS－II到一個新的體系結(jié)構(gòu)上需要提供與CPU代碼相關的3個代碼文件［7］，即C語言頭文件OS－CPU.H、C語言源文件OS－CPU－C.C和匯編源文件程序OS－CPU－ASM.H。

2.3 基于μC／OS－II的系統(tǒng)軟件設計

2.3.1 系統(tǒng)控制策略

叉車載荷變化范圍大，工況多變，其穩(wěn)定性控制非常復雜。采用傳統(tǒng)的控制方法對其進行橫向穩(wěn)定性控制，控制效果有時難以滿足要求。模糊控制器是一種不需要對控制對象精確建模的控制器，它根據(jù)人們的經(jīng)驗制定控制規(guī)則得出控制決策表，并可使控制實現(xiàn)過程簡單化，特別適合于對叉車進行橫向穩(wěn)定性控制［8－11］，本文對叉車橫向穩(wěn)定性系統(tǒng)采用模糊控制策略進行控制。

橫向穩(wěn)定性模糊控制系統(tǒng)由橫擺角速度模糊控制器和質(zhì)心側(cè)偏角模糊控制器組成。期望橫擺角速度和實際橫擺角速度的誤差e1及誤差的變化率ec1為前者的輸入，控制輸出為；期望的質(zhì)心側(cè)偏角和實際質(zhì)心側(cè)偏角的誤差e2和誤差的變化率ec2為后者的輸入，控制輸出為TZ2。為了綜合控制叉車的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，采用線性權函數(shù)對2個模糊控制器的輸出加權，可得最終的后輪軸搖擺鎖定力矩為：

其中，n為權系數(shù)，n＝0.85。

根據(jù)叉車穩(wěn)定性控制的性能要求，采用7個模糊集合表示輸入量及輸出量的狀態(tài)，即｛PB，PM，PS，ZE，NS，NM，NB｝。采用三角形函數(shù)作為基本隸屬函數(shù)，邊界采用梯形函數(shù)，其中模糊輸入的隸屬函數(shù)在零值附近模糊集的劃分密度相對大些，離ZE較遠處模糊集的劃分密度相對小些，可在一定程度上提高控制的靈敏度，控制器輸入、輸出的隸屬度函數(shù)如圖2所示。

圖2 控制器輸入、輸出的隸屬度函數(shù)

根據(jù)大量的仿真數(shù)據(jù)可建立2種模糊控制器的模糊推理規(guī)則，結(jié)果見表1、表2所列，采用重心法將模糊輸出進行反模糊化，可得到模糊控制器的輸出和。

表1 橫擺角速度模糊控制輸出規(guī)則表

表1 橫擺角速度模糊控制輸出規(guī)則表

ec 1 e1 NB NMNS ZE PS PMPB NB PB PB PB PB PMZE ZE NMPB PB PB PB PMZE ZE NS PMPMPMPMZE NS NS ZE PMPMPS ZE NS NMNMPS PS PS ZE NMNMNMNMPMZE ZE NMNB NB NB NB PB ZE ZE NMNMNB NB NB

表2 質(zhì)心側(cè)偏角模糊控制輸出規(guī)則表

表2 質(zhì)心側(cè)偏角模糊控制輸出規(guī)則表

ec 2 e2 NB NMNS ZE PS PMPB NB PB PB PMPMPS ZE ZE NMPB PB PMPMPS ZE ZE NS PB PB PMPMPS ZE NMZE PB PMPMZE NMNMNB PS PMPMZE NS NMNMNB PMZE ZE NS NS NMNMNB PB ZE ZE NS NMNMNMNB

2.3.2 系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)

整個控制系統(tǒng)的軟件按照各自實現(xiàn)的功能不同可以分為3個部分，即驅(qū)動程序?qū)?、任務層和操作系統(tǒng)內(nèi)核層。根據(jù)車輛穩(wěn)定性控制的要求設計了緊急事件處理、信號采集、控制電流輸出和數(shù)據(jù)通信等4個主要任務，各任務的優(yōu)先級及功能見表3所列。

系統(tǒng)軟件主程序流程如圖3所示。

表3 任務優(yōu)先級和功能描述

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

2.3.3 任務子程序設計

（1）信號采集。信號采集主要包括橫擺加速度和質(zhì)心側(cè)偏角、載荷和方向盤轉(zhuǎn)角等模擬信號，需要進行A／D采集；貨叉高度、門架前傾限位和制動等開關量信號直接讀取單片機I／O即可；車速信號需要進行頻率信號的捕獲。橫擺角速度A／D采集和車速捕獲采集程序流程如圖4、圖5所示。

圖4 A／D采集程序流程圖

圖5 車速采集程序流程圖

質(zhì)心側(cè)偏角、載荷和方向盤轉(zhuǎn)角與橫擺角速度采集原理相同，在此不再詳述。

（2）控制電流輸出。該程序通過輸出不同占空比的PWM信號控制電磁閥電流，調(diào)節(jié)鎖止液壓缸強度，控制電流輸出程序流程如圖6所示。

圖6 控制電流輸出程序流程圖

該程序主要通過對采集的橫擺加速度、載荷、方向盤轉(zhuǎn)角和車速等信號進行處理、分析和判斷，輸出不同占空比的PWM信號，控制鎖止電磁閥開度大小，對鎖止液壓缸進行增壓和減壓，進而實現(xiàn)叉車車架與車橋之間的連接面由三角形逐步變成梯形，增加叉車橫向穩(wěn)定性。

首先根據(jù)捕獲的不同車速進入其相應的處理子程序，在每個對應的處理子程序里，通過對叉車載荷狀態(tài)的判斷，進入相應的滿載和空載橫向穩(wěn)定性控制處理程序進行控制參數(shù)調(diào)整，然后進入側(cè)傾控制處理子程序，根據(jù)橫擺角速度的采集值與穩(wěn)定性控制閾值K－thn（n＝1～6）比較判斷，得到輸出控制電流參數(shù)，再參考電流檢測結(jié)果，輸出控制電流，進行鎖止液壓缸增壓和減壓，實現(xiàn)對叉車橫向穩(wěn)定性控制。采用C語言對飛思卡爾16位單片機 MC9S12XS128進行編程，使用CodeWarrior for S12（X）V5.0開發(fā)環(huán)境，程序通過BDM仿真后，下載到MC9S12XS128的內(nèi)部Flash里，上電后就可以脫離仿真環(huán)境運行。

3 實車試驗

試驗方法主要是實車道路試驗，試驗車輛為安裝有自主開發(fā)橫向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的某國產(chǎn)內(nèi)燃平衡重叉車，如圖7所示。

圖7 試驗車輛

試驗工況為初始車速8km／h，路面附著系數(shù)為0.8的空載單移線工況，得到的平衡重式叉車橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角和車身側(cè)傾角試驗數(shù)據(jù)峰值見表4所列。

表4 單移線工況下試驗數(shù)據(jù)峰值

表4中，ω為橫擺角速度；φ1為質(zhì)心側(cè)偏角；φ2為車身側(cè)傾角。

單移線工況下，與不施加控制相比，采用模糊控制下的平衡重式叉車橫擺角速度峰值減小了20%，質(zhì)心側(cè)偏角峰值減小了25%，車身側(cè)傾角峰值減小了34.4%，且平衡重式叉車質(zhì)心側(cè)偏角的幅值被限制在±0.1rad之間，表明平衡重式叉車的軌跡保持能力得到提高，車身側(cè)偏角峰值較小，較好地改善了車身姿態(tài)。

試驗結(jié)果表明，采用模糊控制可較好地跟蹤橫擺角速度，提高軌跡保持能力，且質(zhì)心側(cè)偏角和車身側(cè)傾角被抑制在一個較小的范圍內(nèi)，改善了車身側(cè)傾角響應，有效避免了平衡重式叉車發(fā)生失穩(wěn)狀況。

4 結(jié) 論

（1）采用嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS－II以及多任務的編程方法大大提高了系統(tǒng)實時性，進而提高了控制器的響應特性。

（2）采用模糊控制方法實現(xiàn)內(nèi)燃平衡重叉車橫向穩(wěn)定性控制，開發(fā)的穩(wěn)定性控制器可實現(xiàn)叉車車架與車橋之間的支撐面由三角形逐步變成梯形，有效地改善了叉車橫向穩(wěn)定性。

（3）通過實車試驗，有效地驗證了控制策略的正確性。

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