郭 毅，翟 涌，陳慧巖,金亞英

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081)

近些年，隨著無(wú)人駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展以及未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)人作戰(zhàn)的需要，無(wú)人駕駛技術(shù)逐漸成為履帶平臺(tái)研究和發(fā)展的重要方向。基于靜液轉(zhuǎn)向的液力機(jī)械雙流傳動(dòng)裝置，可以使履帶平臺(tái)具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)向性能，實(shí)現(xiàn)由小半徑到大半徑的無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向，提高了履帶平臺(tái)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，在國(guó)內(nèi)外主戰(zhàn)坦克及履帶式自行火炮車(chē)輛上得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。

對(duì)于無(wú)人駕駛車(chē)輛，其駕駛行為是由上層控制決策系統(tǒng)和底層控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)的。上層控制決策系統(tǒng)根據(jù)道路信息制定的轉(zhuǎn)向控制指令，作為靜液轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制[3]。

1 雙流傳動(dòng)系統(tǒng)分析

筆者將某自行火炮的靜液轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)定義為由轉(zhuǎn)向控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的線(xiàn)控系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向指令和轉(zhuǎn)向控制策略向火炮的靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)向控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完成轉(zhuǎn)向流功率的傳遞。某自行火炮雙流傳動(dòng)系統(tǒng)的靜液轉(zhuǎn)向控制需求原理圖如圖1所示。

1.1 雙流傳動(dòng)系統(tǒng)

筆者研究的某自行火炮的零差速式雙流傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示，雙流傳動(dòng)系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)功率分流為直駛流和轉(zhuǎn)向流兩路，分別經(jīng)液力機(jī)械自動(dòng)變速箱和靜液轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(泵控馬達(dá)及其閉式液壓回路)輸出到兩側(cè)匯流機(jī)構(gòu)[4]。

1.2 直駛特性分析

筆者研究的某液力機(jī)械雙流傳動(dòng)的自行火炮，其行駛的路面大多是非鋪裝的越野路面，其行駛條件對(duì)火炮的直駛特性影響很大。根據(jù)車(chē)輛在越野路面進(jìn)行的行駛試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到某自行火炮的直駛特性圖,如圖3所示。

通過(guò)直駛特性分析，可知車(chē)輛直駛的最高車(chē)速，作為火炮轉(zhuǎn)向性能研究的約束條件和仿真模型的直駛參數(shù)輸入，對(duì)于分析直駛過(guò)程對(duì)火炮轉(zhuǎn)向性能的影響和研究靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制具有重要意義。

1.3 靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析

某自行火炮的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用由泵控馬達(dá)系統(tǒng)及其閉式液壓回路組成的靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其中變量泵和定量馬達(dá)都采用丹佛斯90系列斜盤(pán)式軸向柱塞泵和軸向柱塞馬達(dá)，變量泵型號(hào)為90R130MA，基本參數(shù)如表1所示，變量馬達(dá)的基本參數(shù)與變量泵參數(shù)相同。

表1 變量泵基本參數(shù)

靜液轉(zhuǎn)向控制主要通過(guò)排量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制變量泵斜盤(pán)傾角控制變量泵的排量無(wú)級(jí)變化，實(shí)現(xiàn)泵輸出流量的連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)向過(guò)程的可控、無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，筆者研究的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)要根據(jù)變量泵驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)向半徑控制變量泵流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，控制變量泵到定量馬達(dá)的流量輸出[5-7]。

2 靜液轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

對(duì)于采用靜液轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的雙流傳動(dòng)自行火炮，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)(控制器)和泵控馬達(dá)系統(tǒng)(執(zhí)行機(jī)構(gòu))組成。筆者研究的自行火炮的靜液轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)，其目標(biāo)就是通過(guò)采用轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)取代車(chē)輛方向盤(pán)有人控制轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)向過(guò)程的線(xiàn)控化。針對(duì)某自行火炮雙流傳動(dòng)的靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制的方法，包括接收來(lái)自上層控制決策系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向指令、定義轉(zhuǎn)向指令與控制指令的關(guān)系、制定轉(zhuǎn)向控制策略及控制邏輯。

2.1 轉(zhuǎn)向控制指令分析

轉(zhuǎn)向指令的接收過(guò)程是轉(zhuǎn)向過(guò)程自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于無(wú)人車(chē)輛，轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)準(zhǔn)確地接收并將控制指令解釋為系統(tǒng)能夠處理的控制信號(hào)，是轉(zhuǎn)向控制能夠?qū)崿F(xiàn)的前提條件。

車(chē)輛無(wú)人駕駛過(guò)程中，上層感知與決策系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃路徑和慣性導(dǎo)航信息將車(chē)輛的期望路徑轉(zhuǎn)換為期望直駛車(chē)速和期望轉(zhuǎn)向半徑信息，其中期望轉(zhuǎn)向半徑發(fā)送到轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向過(guò)程自動(dòng)控制；轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)除了接收來(lái)自上層控制決策系統(tǒng)的期望轉(zhuǎn)向半徑作為轉(zhuǎn)向控制目標(biāo)外，還要通過(guò)與整車(chē)通信接收火炮的直駛狀態(tài)信息，包括擋位信息、直駛車(chē)速信息和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息；通過(guò)傳感器反饋泵控馬達(dá)系統(tǒng)狀態(tài)信息，包括變量泵斜盤(pán)傾角、輸出流量及定量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速信息。轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)通過(guò)獲得以上期望轉(zhuǎn)向信息和火炮狀態(tài)信息完成自行火炮自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制指令的接收。

2.2 轉(zhuǎn)向控制策略分析

制定轉(zhuǎn)向控制策略是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù)，靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制策略主要是根據(jù)靜液轉(zhuǎn)向和雙流傳動(dòng)的特性，定義期望轉(zhuǎn)向半徑，將火炮的期望轉(zhuǎn)向半徑解釋為驅(qū)動(dòng)變量泵排量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的控制電流；選擇控制算法，控制變量泵自動(dòng)、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)自身的排量。

根據(jù)對(duì)自行火炮的雙流傳動(dòng)特性分析，得到轉(zhuǎn)向特性：R→f(I,ne,v,nm)和R→f(nT,nm)，即火炮的轉(zhuǎn)向半徑R由轉(zhuǎn)向控制電流I、行駛車(chē)速v、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne、馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm(反饋控制)和直駛流轉(zhuǎn)速nT共同決定。因此，為了完成火炮的靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制策略的制定，首先要研究控制電流I、行駛車(chē)速v、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne和直駛流轉(zhuǎn)速nT的定量關(guān)系。

通過(guò)MATLAB/Simulink仿真軟件建立火炮雙流傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，根據(jù)仿真分析結(jié)果制定火炮靜液轉(zhuǎn)向的控制策略。

3 模型建立

為了研究自行火炮雙流傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向性能，以火炮實(shí)際直駛參數(shù)和火炮靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制參數(shù)為依據(jù)，建立了基于靜液轉(zhuǎn)向的自行火炮液力機(jī)械綜合傳動(dòng)仿真模型。應(yīng)用MATLAB/Simulink仿真軟件，以火炮在各排擋下的實(shí)際直駛工況以及不同的轉(zhuǎn)向指令作為系統(tǒng)輸入，研究模型輸出的火炮轉(zhuǎn)向特性。

3.1 數(shù)學(xué)模型

以某自行火炮的液力機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)為原型，建立以靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為核心的履帶式自行火炮雙流傳動(dòng)系統(tǒng)模型。雙流傳動(dòng)系統(tǒng)模型主要包括直駛輸入模型、靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、行星排模型及定軸齒輪傳動(dòng)模型等。

對(duì)于雙流傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向過(guò)程，系統(tǒng)各擋位下的相對(duì)規(guī)定轉(zhuǎn)向半徑計(jì)算式為

(1)

式中：ρig為各擋相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑；k為行星排特性參數(shù)；izf為轉(zhuǎn)向流定軸傳動(dòng)的傳動(dòng)比；ibf為變速器傳動(dòng)比。

匯流行星排轉(zhuǎn)速關(guān)系式為

ns+knr-(1+k)nc=0

(2)

式中：ns為太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速；nr為齒圈轉(zhuǎn)速；nc為行星架轉(zhuǎn)速。

(3)

式中:ZR為齒圈齒數(shù)；ZS為太陽(yáng)輪齒數(shù)。

根據(jù)式(1)～(3)，由直駛流轉(zhuǎn)速經(jīng)齒圈輸入?yún)R流排、轉(zhuǎn)向流轉(zhuǎn)速經(jīng)太陽(yáng)輪輸入?yún)R流排，通過(guò)對(duì)匯流排及側(cè)傳動(dòng)等齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)建模即可得到兩路功率耦合后輸出到火炮行駛系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向特性參數(shù)(相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑)。

3.2 仿真模型

為簡(jiǎn)化模型，忽略液壓系統(tǒng)的滲漏、液壓油與管壁的摩擦等影響，根據(jù)綜合傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立火炮綜合傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型,如圖4所示。

3.3 仿真分析

仿真模型的輸入主要包括轉(zhuǎn)向控制電流參數(shù)輸入和直駛參數(shù)輸入。圖5為變量泵控制電流與泵排量關(guān)系，靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的反向控制輸入電流I(s)的范圍為-85～-14 mA，正向控制I(s)的范圍為14～85 mA，轉(zhuǎn)向控制器通過(guò)調(diào)節(jié)控制電流的大小和正負(fù)改變火炮的轉(zhuǎn)向半徑和方向，其中-14～14 mA為變量泵控制死區(qū)。

根據(jù)以上雙流傳動(dòng)特性及數(shù)學(xué)模型分析，仿真模型的直駛輸入?yún)?shù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速輸入和火炮直駛車(chē)速輸入。為了研究火炮轉(zhuǎn)向控制策略，將模型的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速輸入設(shè)定為發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，直駛車(chē)速分別以各擋最高車(chē)速為輸入，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向控制電流I(s)的大小來(lái)定義期望轉(zhuǎn)向半徑與轉(zhuǎn)向控制電流的關(guān)系。由于履帶式自行火炮向兩側(cè)轉(zhuǎn)向的控制方式相同，因此定義火炮向左轉(zhuǎn)向?yàn)檎ㄟ^(guò)研究火炮向左側(cè)轉(zhuǎn)向特性，得到如圖6所示的仿真結(jié)果。

由圖6可知，在控制電流I(s)≤40 mA時(shí)，火炮的轉(zhuǎn)向半徑很大，在不發(fā)生側(cè)滑的情況下火炮轉(zhuǎn)向半徑應(yīng)盡量小，因此該轉(zhuǎn)向控制電流范圍主要用于火炮直駛過(guò)程中的行駛方向調(diào)整和大半徑轉(zhuǎn)向過(guò)程；在控制電流I(s)>40 mA時(shí)，火炮的轉(zhuǎn)向半徑較小，且轉(zhuǎn)向半徑隨控制電流變化的線(xiàn)性度較高，有利于轉(zhuǎn)向控制。通過(guò)以上仿真過(guò)程，確定了在不同行駛工況下，不同的期望轉(zhuǎn)向半徑所對(duì)應(yīng)的控制電流信號(hào)，為轉(zhuǎn)向控制策略的制定提供了參考模型。在無(wú)人自行火炮轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中，上層決策系統(tǒng)能夠確定火炮的目標(biāo)轉(zhuǎn)向過(guò)程是大半徑轉(zhuǎn)向或小半徑轉(zhuǎn)向，因此，火炮轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)可以制定不同轉(zhuǎn)向工況下的轉(zhuǎn)向控制策略，滿(mǎn)足火炮的轉(zhuǎn)向要求同時(shí)可以進(jìn)一步提高火炮的轉(zhuǎn)向性能。

4 轉(zhuǎn)向控制策略

對(duì)于筆者研究的雙流傳動(dòng)的無(wú)人自行火炮的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，直駛性能對(duì)轉(zhuǎn)向控制過(guò)程和轉(zhuǎn)向性能都有很大的影響。

筆者研究的雙流傳動(dòng)無(wú)人火炮靜液轉(zhuǎn)向控制策略制定的過(guò)程包括：定義期望轉(zhuǎn)向半徑、選擇控制算法和制定控制指令。

4.1 定義期望轉(zhuǎn)向半徑

雙流傳動(dòng)系統(tǒng)的靜液轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制的實(shí)質(zhì)是將上層決策系統(tǒng)期望的轉(zhuǎn)向半徑定義為對(duì)應(yīng)車(chē)速下的控制電流，通過(guò)控制電流驅(qū)動(dòng)變量泵排量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)向流輸出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。綜合上述火炮直駛過(guò)程對(duì)轉(zhuǎn)向性能的影響，可知：轉(zhuǎn)向控制電流與火炮的期望轉(zhuǎn)向半徑和直駛車(chē)速相關(guān)，轉(zhuǎn)向半徑越小，車(chē)速越高，靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需的流量越大，則控制電流越大。

在筆者研究的泵控馬達(dá)靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，變量泵執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)范圍為14～85 mA的電流信號(hào)，根據(jù)圖6所示的仿真試驗(yàn)的結(jié)果得到的火炮各擋行駛工況下，由最小轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)向到大半徑轉(zhuǎn)向過(guò)程中的各轉(zhuǎn)向半徑所對(duì)應(yīng)的控制電流，這對(duì)于火炮的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)定義期望轉(zhuǎn)向半徑有重要作用。

因此，通過(guò)對(duì)圖6的仿真試驗(yàn)結(jié)果分析，筆者將不同擋位下的期望轉(zhuǎn)向半徑定義為能夠控制火炮轉(zhuǎn)向的14～85 mA的控制電流，得到如表2所示的期望轉(zhuǎn)向半徑-控制電流關(guān)系表，規(guī)定了各擋、各期望轉(zhuǎn)向半徑所對(duì)應(yīng)的控制電流，為控制系統(tǒng)制定控制指令定義了控制量。

表2 期望轉(zhuǎn)向半徑-控制電流關(guān)系

因此，轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)在接收到期望轉(zhuǎn)向半徑指令后，通過(guò)查表獲取相應(yīng)的控制電流，通過(guò)控制算法對(duì)輸出控制電流進(jìn)行控制調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自行火炮靜液轉(zhuǎn)向的自動(dòng)控制。

4.2 選擇控制算法

在轉(zhuǎn)向控制過(guò)程中，采用先進(jìn)的控制算法能夠很好地提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和魯棒性，使火炮具有良好的轉(zhuǎn)向性能。通過(guò)對(duì)火炮靜液轉(zhuǎn)向控制策略相關(guān)文獻(xiàn)的研究，目前靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用的控制算法主要有基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制算法、基于神經(jīng)元自適應(yīng)的PID控制算法、模糊控制算法、遺傳PID控制算法等自適應(yīng)控制算法，對(duì)于提高火炮轉(zhuǎn)向性能和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性都有一定的作用[8-10]。

針對(duì)本文的雙流傳動(dòng)自行火炮的靜液轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制算法，通過(guò)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法的控制PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖7所示?？刂破饕云谕D(zhuǎn)向半徑對(duì)應(yīng)的控制電流為控制輸入，PID控制器的控制參數(shù)Kp、Ki、Kd通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，在線(xiàn)調(diào)整加權(quán)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整。

4.3 轉(zhuǎn)向控制邏輯

轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的控制對(duì)象為控制變量泵排量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的電控比例閥，比例閥作為排量調(diào)節(jié)模塊將電氣輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓力信號(hào)并將此壓力信號(hào)作為先導(dǎo)級(jí)控制信號(hào)推動(dòng)一個(gè)三位四通主閥芯運(yùn)動(dòng)，通過(guò)主控制油路控制伺服活塞移動(dòng)帶動(dòng)斜盤(pán)傾角變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)變量泵排量的無(wú)級(jí)變化。

對(duì)于本文的雙流傳動(dòng)自行火炮，轉(zhuǎn)向控制過(guò)程包括向左、向右轉(zhuǎn)向和中心轉(zhuǎn)向3種轉(zhuǎn)向方式，筆者以上研究過(guò)程都是以火炮向左轉(zhuǎn)向過(guò)程為例，因此定義火炮向左轉(zhuǎn)向控制電流范圍是14～85 mA，向右轉(zhuǎn)向控制電流范圍為-85～-14 mA。車(chē)輛中心轉(zhuǎn)向時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)地面轉(zhuǎn)向阻力反饋調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向控制電流的大小。車(chē)輛正常轉(zhuǎn)向時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)車(chē)輛當(dāng)前的擋位、車(chē)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，查表利用差值方法計(jì)算期望轉(zhuǎn)向半徑對(duì)應(yīng)的控制電流，轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)將對(duì)應(yīng)期望轉(zhuǎn)向半徑的控制電流輸出給比例閥，通過(guò)控制變量泵的排量進(jìn)行轉(zhuǎn)向流輸出轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)雙流傳動(dòng)自行火炮轉(zhuǎn)向過(guò)程的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。雙流傳動(dòng)自行火炮靜液轉(zhuǎn)向控制邏輯框圖如圖8所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了研究基于靜液轉(zhuǎn)向的雙流傳動(dòng)火炮無(wú)人駕駛轉(zhuǎn)向控制特性，筆者采用了試驗(yàn)與仿真結(jié)合的研究方法，以火炮行駛試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為模型仿真的輸入，通過(guò)仿真分析得到了雙流傳動(dòng)自行火炮的直駛性能對(duì)于靜液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向性能和控制性能的影響，并以此作為轉(zhuǎn)向控制依據(jù)，提出了無(wú)人駕駛雙流自行火炮車(chē)輛的靜液轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方法，制定了火炮的轉(zhuǎn)向控制策略，得到無(wú)人自行火炮靜液轉(zhuǎn)向控制的基本邏輯。