陳燕鋒，吳躍成 ，胡旭曉

(浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州 310018)

基于路面狀態(tài)識別的裝載機四輪驅動防滑控制

陳燕鋒，吳躍成 ，胡旭曉

(浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州 310018)

研究了鉸接式四輪驅動裝載機防滑控制方法,通過路面狀態(tài)識別方法和控制算法，利用限滑差速器實現(xiàn)驅動防滑。以車輪角加速度作為路面狀態(tài)識別系統(tǒng)的判別參數(shù)，在車輛行駛過程中對各車輪的附著路面進行實時識別，將識別出的當量路面下的最優(yōu)滑轉率作為驅動防滑系統(tǒng)的控制目標，通過模糊控制算法控制液壓限滑差速器內液壓油缸壓力，實現(xiàn)裝載機的驅動防滑控制。Matlab/Simulink仿真結果表明：該路面狀態(tài)識別系統(tǒng)能夠快速、準確地完成狀態(tài)識別，同時對各車輪滑轉狀態(tài)進行實時判斷并實現(xiàn)驅動防滑控制，從而避免車輪過度滑轉，保證車輛獲得最佳動力性能。

裝載機；路面狀態(tài)識別；驅動防滑控制系統(tǒng)；模糊控制

0 引 言

輪式裝載機屬于鏟土運輸類車輛，廣泛運用于公路、鐵路、建筑等行業(yè)，是現(xiàn)代工程機械化施工中必不可少的裝備。裝載機作為一種土方機械，工作環(huán)境十分惡劣，當兩側車輪處于非對稱附著路面的工地上作業(yè)時，經常出現(xiàn)一側車輪打滑現(xiàn)象，大大損失了發(fā)動機輸出功率，降低整機動力性能，嚴重影響其工作效率[1]。車輛驅動防滑控制系統(tǒng)(acceleration slip regulation, ASR)可以有效提高車輛在不同路面工況下的操縱穩(wěn)定性和行駛安全性，對有效減少驅動輪過度滑轉造成的輪胎快速磨損、提高工作效率具有重要的工程意義。

目前，國內外車輛驅動防滑技術已取得一定成果。張曉龍等[2]通過施加驅動輪制動力矩來防止車輪過度滑轉，驅動輪制動力矩調節(jié)控制方式能使驅動輪滑轉率穩(wěn)定在最佳區(qū)域，達到驅動防滑效果，但是導致制動器產生大量熱量，影響制動器制動效能。劉志新等[3]通過控制發(fā)動機油門開度來防止驅動輪出現(xiàn)過度滑轉，但是發(fā)動機輸出扭矩調節(jié)控制方式難以實現(xiàn)在分離附著路面上的最佳驅動控制。Algirdas等[4]通過改變驅動輪的垂向載荷和輪胎胎壓來避免車輪滑轉。謝佩等[5]設計了一種新型的電控液壓限滑差速器，該限滑差速器能夠使左右驅動車輪不等矩分配，從而實現(xiàn)驅動防滑控制。如果在控制目標上僅憑經驗設定，會使裝載機在不同路面工況下出現(xiàn)控制系統(tǒng)失真，這就要求驅動防滑系統(tǒng)能夠根據(jù)不同行駛路面不斷地調整目標參數(shù)，從而提高車輛適應能力，其中關鍵的問題是對車輛進行滑轉狀態(tài)的實時識別[6]。利用標準路面(μ-S)曲線劃分動態(tài)識別區(qū)間與模糊控制理論實現(xiàn)路面識別在電動車上研究較廣泛[2, 7]。

本文設計了以角加速度為判別參數(shù)的路面狀態(tài)識別方法，在實現(xiàn)各輪路面狀態(tài)識別的基礎上，建立了裝載機驅動動力學仿真模型，利用Matlab模糊工具箱設計了二維模糊控制器，最后在Simulink仿真平臺上驗證該識別方法和控制算法的可靠性。

1 裝載機驅動動力學建模

1.1 裝載機整車動力學模型

裝載機工作時速度較低，當只考慮做縱向運動，建立整車和驅動輪動力學方程：

(1)

(2)其中：m為整車質量，kg；dV/dt為整車加速度，m/s2；Fx,ij為各車輪地面驅動力，Ν；Fz,ij為各車輪的垂向載荷，N；f為滾動阻力系數(shù)，F(xiàn)g為工作阻力，N；Jij為各車輪的轉動慣量，kg·m2；Mij為各車輪的驅動力矩，N·m；dωij/dt為各車輪的理論角加速度，rad/s2；R為車輪動力轉動半徑，m；ij表示前左輪fl、前右輪fr、后左輪rl、后右輪rr。

1.2 液壓限滑差速器模型

液壓限滑差速器動力傳遞簡圖如圖1所示，在普通差速器的一側設計有摩擦副和液壓油缸，當油壓力為P時，差速器內部就會產生摩擦力矩，可得到輸入扭矩、輸入轉速與內摩擦扭矩之間的關系：

(3)

其中：T0為限滑差速器的輸入扭矩,N·m；Tl為左輪的輸入轉矩，N·m；Tr為右輪的輸入轉矩，N·m；Tc為限滑差速器的限滑力矩，N·m；Td為差速器行星齒輪傳遞的扭矩，N·m；ω0為限滑差速器輸入轉速，rad/s；ωl為左輪轉速，rad/s；ωr為右輪轉速，rad/s。

圖1 限滑差速器的動力傳動示意圖

差速器行星齒輪傳遞的扭矩平均分配至左右車輪半軸，當車輪一側過度滑轉時，液壓限滑差速器工作，液壓控制系統(tǒng)壓緊內摩擦片產生限滑力矩，此時該限滑力矩方向與轉速慢的一側車輪旋轉方向相同，而與轉速快的一側車輪旋轉方向相反。因此，當左側車輪過度滑轉時左右車輪輸入扭矩分配如式(4)；當右側車輪過度滑轉時左右車輪輸入扭矩分配如式(5)。

(4)

(5)

1.3 輪胎模型

Burckhardt等提出的μ-S曲線表達能夠準確地描述出不同路面工況下車輪滑轉率S與路面利用附著系數(shù)μ(S)之間的函數(shù)關系式[8]：

(6)

其中：C1、C2、C3為擬合系數(shù)。

通過式(7)-(8)能計算出不同路面的μ-S曲線峰值點坐標，即車輪最優(yōu)滑轉率Sopt和最大路面利用附著系數(shù)μmax：

(7)

(8)

本文中選擇了干水泥、濕瀝青、濕鵝卵石3條標準路面，參數(shù)見表1，標準路面μ-S曲線圖如圖2所示。

表1 不同路面條件下的模型參數(shù)值[9]

圖2 標準路面 μ-S曲線

各車輪地面驅動力可由式(9)計算：

(9)

(10)

其中：Sij為各車輪滑轉率；ωij為各車輪角速度，rad/s；V為車速，m/s。

2 路面狀態(tài)識別方法

根據(jù)標準路面μ-S曲線圖可知，不同路面工況下的車輪最優(yōu)滑轉率不同。車輛驅動防滑控制系統(tǒng)就是依據(jù)最優(yōu)滑轉率對各車輪進行實時控制的。然而，路面的工況是復雜多變的，因此，首先必須對當前各行駛車輪的路面工況進行有效實時識別。為便于識別，本文將復雜路面按照裝載機作業(yè)時路面特性分類為以上三種標準路面。識別系統(tǒng)不斷地計算各車輪角加速度值來判定當前路面工況下裝載機處于哪一種當量路面。

各車輪驅動力矩可由式(11)計算：

(11)

其中：Me為發(fā)動機輸出轉矩，N·m；K為液力變矩器變矩比；Ig為變速箱傳動比；Id為主減速器和輪邊減速器總傳動比；η為動力傳動效率。

將式(2)和式(9)聯(lián)立得到式(12)：

(12)

由標準路面μ-S曲線圖可知，同一滑轉率對應三個不同路面利用附著系數(shù)，根據(jù)各車輪實時計算得到的滑轉率可以得到不同路面下的利用附著系數(shù)，分別將其代入式(12)，就能得到各輪在不同路面下的理論角加速度值。識別系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 識別系統(tǒng)原理框圖

3 ASR系統(tǒng)設計

3.1ASR控制策略

將滑轉率計算模塊與路面識別模塊得到的最優(yōu)滑轉率輸入到模糊控制器中，當識別出的左右車輪最優(yōu)滑轉率不同，將兩者中低者作為控制目標值，即采用最優(yōu)滑轉率低選控制。另外，裝載機前后分別安裝一個液壓限滑差速器，若前后車輪判別出任一車輪滑轉過度即位于非穩(wěn)定區(qū)，控制該輪所在限滑差速器鎖緊；當判別出車輪滑轉率在最優(yōu)滑轉率以下即位于穩(wěn)定區(qū)，控制限滑差速器放松。

3.2 系統(tǒng)模糊控制器的設計

本文采用典型的二維模糊控制器[10]，定義模糊控制器輸入變量為滑轉率誤差E和滑轉率誤差變化率EC，輸出變量為限滑差速器液壓變化量U，其中滑轉率誤差是實際滑轉率與目標滑轉率之差，目標滑轉率是通過路面識別系統(tǒng)得到的當前路面最優(yōu)滑轉率。

3.2.1 模糊控制隸屬函數(shù)的設計

為了實現(xiàn)標準化設計，采用瑪達尼提出的方法設計模糊控制器[11]，由于滑轉率變化區(qū)間為[0,1]，若目標滑轉率為0.2，則滑轉率誤差E的物理論域為[-0.2 0.8]，取其模糊論域為[-2.0 8.0]。因滑轉率誤差在0時最為理想，所以對于E偏小時取相對較少的模糊子集，將滑轉率誤差分為6個子項：[負大(NB)、負小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)]，隸屬函數(shù)曲線均為三角形分布。如圖4所示?；D率誤差變化率EC模糊論域為[-6.0 6.0]，將滑轉率誤差變化率分為7個子項：[負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)]，隸屬函數(shù)曲線均為三角形分布。如圖5所示。限滑差速器油缸液壓變化量U，其模糊論域取[-6.0 6.0]，將其也分為7個子項：[負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)]，隸屬函數(shù)曲線均為三角形分布。如圖6所示。

圖4 隸屬函數(shù)E

圖5 隸屬函數(shù) EC

圖6 隸屬函數(shù)U

3.2.2 模糊控制規(guī)則的設計

對于二維模糊控制器，其控制規(guī)則一般由模糊條件語句：如果“E且EC那么U”來表達，模糊邏輯推理方式采用瑪達尼極大極小推理。根據(jù)滑轉率誤差和滑轉率誤差變化率以及限滑差速器油缸壓力變化量之間的關系及人工經驗，制定模糊控制規(guī)則，見表2。

表2 模糊控制規(guī)則

4 仿真及結果分析

為了驗證設計的路面狀態(tài)識別方法和控制算法

的有效性，利用Matlab/Simulink以及Fuzzy Logic Toolbox設計了常規(guī)模糊控制器，并對該識別系統(tǒng)和控制算法進行了驗證。仿真模型框如圖7所示。首先根據(jù)車輛動力學系統(tǒng)模型滑轉率計算模塊計算出各輪當前實際滑轉率，將其輸入到路面識別系統(tǒng)后，輸出當前驅動輪目標滑轉率；其次將滑轉率誤差及滑轉率誤差變化率輸入到模糊控制器，通過模糊控制器控制規(guī)則推理計算出限滑差速器油缸液壓變化量，使之與其初始值求和得到限滑差速器液壓缸實際壓力，將此壓力值反饋給車輛動力學系統(tǒng)模型，得到當前車輪實際滑轉率，從而使各輪滑轉率得到調整并逐步接近且穩(wěn)定于目標滑轉率。本文需要的仿真參數(shù)見表3。

模擬工況：裝載機開始在干水泥均勻附著路面上行駛(μ=0.7/0.7)，行駛2 s后進入左側仍是干水泥而右側是濕鵝卵石的分離附著路面(μ=0.7/0.2)，節(jié)氣門全開，仿真6 s。在仿真過程中經過不斷調節(jié)，仿真結果如圖8-圖12。

表3 車輛模型主要參數(shù)

圖7 ASR控制系統(tǒng)仿真模型框圖

圖8 路面識別仿真結果

圖9 滑轉率隨時間變化曲線

圖10 輪速隨時間變化曲線

圖11 車速隨時間變化曲線

圖12 加速度隨時間變化曲線

從仿真結果可看出，車輛處于低附著路面時，通過控制液壓限滑差速器，增加高附著側車輪地面驅動力減小兩側車輪轉速差來抑制驅動輪過度打滑的效果是非常明顯的。

預設1號路面為干水泥路面，2號路面為濕瀝青路面，3號路面為濕鵝卵石路面。根據(jù)圖8路面識別系統(tǒng)仿真結果知，該路面識別系統(tǒng)能夠對分離附著路面進行快速準確識別。

圖9為驅動輪在施加防滑控制和不施加防滑控制兩種條件下，高低附著側車輪的滑轉率變化曲線。從圖9中可以看出，沒有裝備ASR系統(tǒng)的裝載機低附著側車輪滑轉率逐漸上升，導致車輪過度滑轉；裝備ASR系統(tǒng)的裝載機在液壓限滑差速器的作用下實現(xiàn)對兩側車輪的不等矩分配，處于低附著側車輪稍有上升之后迅速下降，并在識別出的目標滑轉率附近波動，高附著側車輪滑轉率相對有所上升，充分利用當前路面提供的附著力。

圖10、圖11為驅動輪在施加防滑控制和不施加防滑控制兩種條件下，高低附著側車輪輪速以及車速變化曲線。從圖10、圖11中可以看出，裝備ASR系統(tǒng)的裝載機在液壓限滑差速器的作用下，處于低附著側車輪輪速迅速下降而高附著側車輪輪速明顯增加，通過抑制兩側車輪輪速差有效防止驅動輪過度滑轉。不施加防滑控制車速為1.23 m/s，而施加防滑控制后車速為1.65 m/s，車速提升了大約34%，車輛加速能力得到了提升。

圖12為驅動輪在施加防滑控制和不施加防滑控制兩種條件下整車加速度變化曲線。從圖12中可以看出，施加防滑控制整車加速度曲線處于不施加防滑控制時整車加速度曲線之上，前者加速度值明顯增大，并隨時間出現(xiàn)波形變化。4.5 s時出現(xiàn)最大值0.36 m/s2,2.9 s時出現(xiàn)相對較小值0.16 m/s2，顯然車輛動力性能得到了顯著提升。

5 結 論

本文在裝載機路面狀態(tài)識別方法的基礎上，建立了車輛驅動動力學仿真模型，利用Matlab工具箱設計了ASR系統(tǒng)的二維模糊控制器。仿真結果表明：該路面識別系統(tǒng)可以準確地判別出裝載機當前行駛路面工況，克服了僅憑經驗設定最優(yōu)滑轉率的驅動防滑控制系統(tǒng)的不足；當一側驅動輪出現(xiàn)打滑時，該控制算法能夠迅速控制液壓缸壓緊內摩擦片產生限滑力矩，實現(xiàn)裝載機驅動防滑控制，從而充分利用高附著側路面附著力，有效地抑制低附著側路面驅動輪過度滑轉，顯著提升裝載機在分離路面上的驅動性能。

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(責任編輯： 康 鋒)

Four-wheel Acceleration Slip Regulation of Loader Based on Pavement State Identification

CHEN Yanfeng, WU Yuecheng, HU Xuxiao

(Faculty of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

This paper aims to study the anti-slip control method of hinged four-wheel drive loader, which realizes acceleration slip regulation by the aid of limited slip differential with pavement state identification method and control algorithm. The working principle is to identify the road adhesion of each wheel during vehicle running in real-time way with the wheel angle acceleration as identification parameter of pavement state identification system, take the optimal slippage rate of the identified equivalent pavement as the control objective of acceleration slip regulation, and control the hydrocylinder pressure in the hydraulic limited slip differential with fuzzy control algorithm, to realize acceleration slip regulation of loader. The Matlab/Simulink simulation results show that the pavement state identification system is capable of identifying state rapidly and accurately, judging the real-time slip state of each wheel and realizing acceleration slip regulation, so as to prevent wheels from excessive rotation and ensure vehicle to obtain the best power performance.

loader; pavement state identification; ASR; fuzzy control

10.3969/j.issn.1673-3851.2017.09.013

2017-05-15 網(wǎng)絡出版日期： 2017-08-07

浙江省自然科學基金項目(LY13E050025,LZ14E050003)

陳燕鋒(1991-)，男，紹興嵊州人，碩士研究生，主要從事車輛系統(tǒng)動力學方面的研究。

吳躍成，E-mail：wuyuecheng@126.com

U461.2

A

1673- 3851 (2017) 05- 0681- 06