（机械设计及理论专业论文）轮式工程机械四轮转向自动控制系统的研究.pdf

中南林学院2 0 0 4 届工科硕士学位论文第1 页共4 8 页 轮式工程机械四轮转向自动控制系统的研究 【内容摘要】基于车辆四轮转向技术的实现结构及其控制方法，针对轮式工程机械四轮转向 系统，提出基于p i c l 6 f 8 7 7 单片机为控制芯片的数据采集系统，以零重心侧滑角为控制目 标，采用模糊逻辑为控制算法的四轮转向自动控制系统。系统开发主要包括三个方面的内容： 一是单片机系统硬件电路的设计，包括接口扩展、前向信道和后向信道设计；二是系统软件 开发，主要包括模糊控制查询表、系统主程序和子程序的设计；三是仿真系统设计和仿真结 果，以验证该系统的有效性。结论表明：基于模糊控制的工程机械四轮转向自动控制系统给 传统工程机械的转向系统设计提供了一个选择。 【关键词】工程机械；四轮转向；单片机；模糊控制；仿真 一 朱涛：轮式工程机械四轮转向自动控制系统的研究 第2 页共4 8 页 引言 工程机械作为资源开发、交通建设、市政工程、水利电力等工程施工中的重要机械设备， 在经济建设活动中扮演着重要角色。在我国，西部大开发，西气东输，青藏铁路、南水北 调等一大批工程给工程机械的发展带来了巨大的市场前景，东部和沿海发达省份的城镇化建 设及大中城市的老城区改造工程更是为各类工程机械的发展注入了活力，加快发展我国的工 程机械产业，提高我国工程机械产品质量对国民经济发展有着很现实的意义。工程机械当前 的突出问题是操纵和控制，使工程机械具有信息处理能力，有感知和认识功能，能自我适应， 向着自动化和智能化方向发展，由此引进具有良好控制和处理能力的电子技术来改造传统工 程机械。不断提高工程机械电子自动控制的技术含量，是工程机械产品开发的主要方向，是 不可抗拒的技术潮流幢1 。 工程机械工作条件通常都比较恶劣，施工现场对工程机械的性能要求较高，特别是象铲 运装夹类工程机械受工作对象位置变化和场地限制经常要变换行驶方向，在快速行驶时避开 障碍物或在凹凸不平和倾斜路面转向时，既要保证灵活平顺通过，又要保证车身稳定，防止 发生倾翻事故。传统偏转车轮转向有前轮转向、后轮转向和全轮转向。 前轮转向可以方便地用前外轮是否避过障碍来判断整机的行驶路线，有利于安全行驶， 但容易受前方工作装置( 如推土、装载、挖掘等工作装置) 的影响，不仅偏转角度受到限制， 而且带载转向沉重；后轮转向较前轮转向的转向半径小，机动性能好，但要同时用前、后轮 来判断行驶方向，不利于安全行驶；全轮转向通过换向器可实现单独前轮转向、后轮转向、 前后轮同相位转向和逆相位转向，但是需要手动操纵，容易误操作1 。基于以上情况，本文 针对轮式工程机械转向系设计了一套转向自动控制系统，以提高工程机械转向的灵活性和稳 定性，这将对提高工程机械产品的技术质量有一定的现实意义。 1 工程机械发展及国内外现状 在二十世纪，工程机械的发展走过了1 9 6 0 年代前的机械传动与控制；1 9 6 0 一- - 1 9 7 0 年的 液压传动及控制；1 9 7 0 , 、- 1 9 8 0 年代的机电一体化；1 9 9 0 年代的机电液一体化阶段。自1 9 9 0 年代以来，国外工程机械进入了一个新的发展时期，在广泛应用新技术的同时，不断涌现出 新结构和新产品。继完成提高整机可靠性任务之后，技术发展的重点在于增加产品的电子信 息技术含量，努力完善产品的标准化、系列化和通用化，改善驾驶人员的工作条件，向节能、 环保方向发展。 1 1 国外工程机械新技术 目前国外工程机械发展总的趋势是：发展快，水平高。在工程机械产品中集成电路、微 处理器、微型计算机及电子监控等技术都有广泛的应用，一些节能新技术得到了推广；同时， 可靠性、安全性、舒适性、环保性能也得到了高度重视。另外，根据作业特点和客户的要求 工程机械正向大型化和微型化方向发展。 近几年，国外工程机械产品以信息技术为先导，在发动机燃料燃烧与电控、液压控制系 中南林学院2 0 0 4 届工科硕士学位论文第3 页共4 8 页 统、自动操纵、可视化驾驶、精确定位与作业、故障诊断与监控、节能与环保等方面，进行 了大量的研究，开发出许多新结构( 或系统) 和新产品，提高- f 3 ：程机械的高科技含量，促 进了工程机械的发展h 1 。以美国卡特彼勒公司为例，该公司开发了采矿铲土运输技术系统 ( m e t s ) 。m e t s 包括多种多样的技术产品，如无线电数据通信、机器监测、诊断、工作与业 务管理软件和机器控制等装置。由以下三部分组成：计算机辅助铲土运输系统( c a e s ) ；关 键信息管理系统( m s ) ；c a f _ s o f f i c e 软件。这种软件与来自装有c a e s 的机器的数据相 结合，产生一个集成的现时作业模型，使业主能在接近实时条件下对现场或远程监控作业。 为了提高装载机的作业生产率，各生产厂商相继研制出许多超强功能的系统。例如，行 驶平稳性控制系统；附着力控制系统；动力电子控制管理系统；发动机自动控制系统；关 键信息显示管理系统；转向变速集成控制系统，取消传统的方向盘和变速杆，将转向与变 速操纵装置集成为一个操纵手柄，并采用简单的触发式方向控制开发和选挡用的分装式加速 按钮。利用肘节的自然动作左右扳动操纵杆，实现转向；利用大拇指选择按钮，实现前进与 后退、加速与减速行驶；销轴润滑系统；舒适驱动控制系统；负载感应变速系统；计算机故 障诊断系统；负载自动稳定器；自动运输控制系统，降低机器在凹凸不平路面上的振动，提 高驾驶舒适性和作业效率。j c b 公司4 5 6 b z x ( 1 8 t ) 安装此系统，最高车速达3 8 k m h ；燃 油空气比例控制系统；计算机监控管理系统；装载量称量系统；面板控制系统；油泵电 子管理系统，自动监控油泵的运行状态；柴油发动机先进管理系统。 广泛应用微电子技术与信息技术，完善计算机辅助驾驶系统、信息管理系统及故障诊断 系统；采用单一吸声材料、噪声抑制方法等消除或降低机器噪声；通过不断改进电喷装置， 进一步降低柴油发动机的尾气排放量；研制无污染、经济型、环保型的动力装置；提高液压 组件、传感组件和控制组件的可靠性与灵敏性，提高整机的机电信一体化水平；在控制系统 方面，将广泛采用电子监控和自动报警系统、自动换挡变速装置；用于物料精确挖( 铲) 、 装、载、运作业的工程机械将安装g p s 定位与重量自动称量装置；开发特种用途的“机器人 式”工程机械等。 1 2 我国工程机械产品的发展走势 我国的工程机械起步并不晚，但由于一些原因发展得并不快，且产品系列不多，综合性 能也不佳，无法满足国内一些客户的要求，以致国内一些大中型施工部门的相当一部分工程 机械依赖进1 3 。随着我国基础建设规模日益扩大，国内工程机械骨干企业纷纷瞄准国内外市 场需求正大力研发工程机械新产品，并在性能上争取接近国外同类产品水平。借鉴国外工程 机械产品的发展趋势，我国工程机械产品的发展走势应是：大力发展机电一体化产品，实现 装载机工作状态的自动监测和控制，实现平地机的激光导平自动控制，实现在有毒、有危险 环境下工程机械作业的遥控；大力提高产品的质量、可靠性和技术水平；大力发展品种；大 力加强新技术的应用，改善驾驶员的工作条件。 ：一程推土机应开发大型、小型和新型系列产品，变型产品，如湿地型、超湿地型、沙漠 型、灌木越型攘土枫以及推耙枫帮履带装载机；应开发多功能、多用途的产品，做到一机多 翔，离效节能。 装载枫应开发性能优良的装载机，如斗容量大、发动机功率大、籀起力大、颓翻负荷大、 牵引力大、废气排放少的装载机；应开发机电一体化技术、电子计算机技术、监测技术水平 离的装载桃；应开发作业琵鬟性好、安念性高、舒适性好熬产瑟；应开发可装载、霹抓物、 可侧卸、可起重的经济性好的一机多阁溅产品。 工程挖掘税有蓠途酶产晶憝：大中擞液歪挖糍瓿、微掇挖撼规、无入驾驶液鹾挖掘枫、 遥控水下挖掘枫。轮式起重枫有前途的产晶是：大型轮式起譬枫、大型全地面汽车起重机、 巾挺越野轮胎起重视、集装箱怒熏运输率、整体皇装卸载运率。平遗规濑铲运枕有嚣途的产 龋是：自行式铲运机、双向驾驶大吨位黼斗车、自动控制的平地机、自动控制的铲运机。 2 工程机械轮式底盘转向系简介 2 。 转向系豹功用及基本要求 转向系是由转向器和转向传动机构缀成，其功用是操纵率辆的行驶方向，应熊掇据需要 傺持车辘稳定她浍壹线行驶，井熊按要求灵活逢改交行驶穷囱娃一。 转商系对车辆的使用性能影响很大，赢接影响行率安全，所以其毖须满足以下基本要求： ( 1 ) 操纵轻便。转向瓣，臻耀在方淘盘上熬操纵力要小。 巾立( g 阁楼 国国 鬃拳瓣汽攀袋霭麴翔稳转瘸系绫溯悸圈( y o k o y a ，1 9 9 0 ) 3 。缀援车速及方向盘转速抉熳来决定焉轮转角醮大小及橱馕。当驾驶蠹转渤方向盘速度 较慢时，盛轮同糨位转向；溺驾驶者转动方向擞速度较快时，藤轮逆糨便转向。此溜轮转向 系统的控制滕壤为： d , ( 4 拶，) 一一嘉* s o + t 粤葶) 蒸中，k t 颤 o ，职) 沟蕨轮转燕，移，冬) 为蓠轮转角，砾、l ( 搬炎系绫设定之参数， s 笼穷辩懿转动频率，亦可表示为办翔纛转穗角转速。巍方囊懿靛转速掇慢辩，邈麟是方翔 盘转动频攀s 趋：i 毽于零，粼嚣赡轮转角魄铡翻懿决定，又岛大予零，冀代表瑟轮必鼹耨键 转怒；蕊方爵黯之转速撮快辩，超就是方内擞转动频率s 趋近予无双大，剃靛瑟轮转角瓣：例 由( 颤- - k t ) 的信决定，又始介予k 艉零之闻，代表( 如- - k t ) 之值毽为受，所以藤 轮为逆相位转向，根据仿囊驾驶者在变换率道驾驶的测试巾避示：警车辆在刚开始变换车道 时，驾驶嚣转动方向盘的速发会囱快丽幔，两潞驾驶者在隧正方向擞完成变换车道时，驾驶 者转动方翔盘的速度亦会囱快露凝。掰以烧豳轮转澍窜辆巍刚开始交换车道辩，籍轮会内逆 裰链转至潞襁髓，瓤娄完成变换棼道游，嚣轮会因驾驶者阏藏方愆蠢露影藏遂裰霞，褥幽逆 榛链转溺至圈糯使转淘。但楚强鸳驶豢逡刘紧急状况黠躲闪溅簿褥狻) 骶快速趣转动方翔 煮，会霞褥四轮转惫车辆焉轮为遂捆使转向，造成霉辆产生打滑藏怒怒懿熊除瓣承驯。 3 。2 2 籍轮先中立再丽槌位转向 因为霜轮阉步网相位转向控制攀辆熏，心侧滑角的方法会使得车辚在转向辩无法获得足 够的偏驶率，造成车辆瞬时熏心侧滑角较大，因薅使车辆魏行避方向在鞫开始转向时秃法与 懿标方爨镰持致，掰以鹣轮转氮车辆在辩速下转淘辩，舞轮艨先傺持中立转国，之盛孬瓣 ! 塑螫学麟2 0 0 4 届工科硕士学链论文第1 3 页头4 8 页 相位转向，也就是说后轮会先延迟一短暂时间，再弱楣位转向。其基本原理为： ，、，、，、 掰2 v ，= 茁妒零掰l 擘一弩j 其中，掰2 0 ) 为后轮转角，o 一材) 为前轮转角，r ) 为前后轮转向比，7 为后轮转向延 迟时间。当前后轮转向比网定( 在定速下) 时，控制系统根据前轮转角大小，令后轮延迟 短暂时间再调整相位及转角大小，蕊穆傻大小由车速及转动方向盘速度来决定。后轮先中立 再藤相位转淘的优熹为重心侧淆角在瓣对与稳态对皆减小，如蒋豳所示。 豳产( n i s s a n ) 汽车公司的豳轮转向系统( 珏i c a s ) 是由检测车速及方向盘转角传感 器、接受车速及方向盘转角输入以计算嚣轮转角大小的控囊l 器、液遥系统及安全装鬟构成。 该系统制用了磊轮先中立褥弱相位转囱的车辆重心倒滑熊控制方法。当控制器接受车速及方 向盘转角输入时，会立即经由控制器计算出后轮所需转角后，传送讯母至液压系统，进而推 动后轮至所要求的转角，如图8 所示。此四轮转向系统安装在后悬嗣系统上，当液压系统推 动盾悬精系统梁架，焉使焉轮随之转动，因控制技术及系统构形的影响，此四轮转趣系统的 詹轮只谣两相位转向且其转向霜至多只可达至l o 5 菠。此液压系统亦有类似马自达汽车公司 液压系统的安全装置，当液压系统发生故障时，其内安装婀弹簧装鬣会令后轮转动至申立转 向以阐笺至一般二轮转向系统驾驶模式。 圈8 霸产汽车公罚貔翔转转藏系统( 辩i c a s ) ( f u r u k a w a ，1 9 8 9 ) 3 2 。3 聪轮先逆相位转向羁嗣福彼转彝 后轮先逆相位转向蒜同相位转向控铡重心侧滑角方法是根据驾驶者转动方向盘转动熊 的大小、车速及镳驶率( y a wr a t e ) 来控截蜃轮的转焦。其基本原瑗淹：在瞬时，瑟轮先逆 裙位转国产生足够豹偏驶率，两盾立即转为同相位转内，警后轮转为溺摆位转向时，使车辆 在转向时稳定性增加，并抑制重心侧滑角使其在稳态时为零。因为后轮逆相位转向，所以后 轮转弯力( c o r n e r i n gf o r c e ) 的方向指向车辆旋转中心外侧，导致对车辆重心产生正向偏 驶率，使 ! 譬车辆能更快速地转向，并阕时抑制了一般装载圈轮转向系统酶车辆在圊樵位转良 时，瞬时重心侧滑麓较大解情形。谯变换车道情况下，一般前轮转向车辆的重心侧清热在驾 朱涛：轮式工程机械四轮转向自动控制系统的研究第1 4 页共4 8 页 驶者剐开始变换车道时，其值会先由正值变为负值，表示车头会先由回转曲率中心外侧向内 侧偏摆，而在回正方向盘完成变换车道时，车辆重心侧滑角亦会先由正值变为负值，表示车 头亦会先由回转曲率中心外侧向内侧偏摆，导致车辆行驶方向无法与目标方向保持一致。后 轮先逆相位转向再同相位转向的控制重心侧滑角的方法可使四轮转向车辆在瞬时及稳态时， 重心侧滑角皆趋近于零。减低瞬时重心侧滑角，可以抑制一般车辆在变换车道时偏驶率变化 过大的情形，进而令车辆在瞬时时行进方向与目标方向一致。此外，亦有研究者利用类神经 网络( n e u r a ln e t w o r k ) 控制车辆重心侧滑角，其应用后轮先逆相位转向再同相位转向的控 制重心侧滑角的方法，并考虑轮胎力学以设定后轮的转角与相位。类神经网络的基本架构为 一预先建立的传统4 w s 控制参考模型再加上误差信息收集的补偿器( c o m p e n s a t o r ) ，补偿器 收集的误差信息是根据传感器( s e n s o r ) 检测到的地面信息与参考模型两者间的误差再加以 校正补偿，以控制后轮正确转向而达到减小重心侧滑角的目的的口0 2 。 日产汽车公司之后又研发出利用后轮先逆相位转向再同相位转向的四轮转向系统幢副 ( s u p e r h i c a s ) 。此四轮转向系统是利用控制器接受车速传感器及方向盘转角传感器的 信号来计算出后轮所需的转角，继而使液压系统推动后轮转向，而此四轮转向车辆的后轮转 角最多可达h i 度。此四轮转向系统亦配有安全装置，当四轮转向车辆因液压系统或控制器 发生故障时，安全装置会令后轮恢复至中立转向，使车辆回复至一般前轮转向车辆的操纵模 式，以免造成行车危险。 4 模糊控制方法及应用 模糊集合的概念是美国查德( l a z a d e d 教授与1 9 6 5 年最先提出的，开创了模糊数学 极其应用的新纪元。到2 0 世纪7 0 年代中期，以e h m a m d a n i 为代表的一批学者提出了模糊控 制的概念，标志着模糊控制的诞生乜3 2 引。模糊控制作为智能控制的一种，是自动化控制技术 中一个非常活跃的领域。现代工业对控制过程不仅要求控制的精确性，还要求控制的鲁棒性、 实时性、良好的容错性以及控制系统参数的自适应性。由于系统的复杂性以及变量参数之间 存在的非线性和不确定性，使得传统控制方法很难从根本上解决这些问题。而模糊控制不需 要建立精确的数学模型，并且易于实现，抗干扰能力强，鲁棒性好，这些优点使得其在控制 领域的应用受到青睐幢瓦跖。 4 1 模糊控制原理及系统组成 模糊控制的基本思想是把对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列以i f ( 条 件) 和t h e n ( 作用) 的形式表示的控制规则，通过模糊推理得到控制作用集，作用于被控 对象或过程。控制作用集均为一组被量化了的模糊语言集，如“正大”、“负大”、“低”、“高”、 正常等2 引。 理论上，模糊控制器由n 维关系r 表示，关系r 视为受约于 o ，1 】区间的n 个变量的函数。 r 是n 个n 维关系r i 的组合，每个r i 代表一条规则，即r i ：i f 一i h e n 。控制器的输入x 被模糊 化为一关系x ，模糊输出y 可应用合成推理规则进行计算，对模糊输出y 进行模糊判决( 解模 堂枣糁学罄2 0 0 4 满王科磺圭学谴论文繁1 5 夏共4 8 焚 糊) 可得到精确的数值输出y 轻禽。模糊控糊器的组成如图9 所示： 输入 输嫩 1 i t 9 横獭撵潮豢豹缀戚圈 其中各部分功能如下： 模糊化接口：主要作用是将真实的确定撬输入转变成个模糊矢量。用于测量输入餐， 并将输入爨映射到一个合适的响寝论域的壁程。然后将精确数据输入变换为适当的语富或模 糊集合的标识符。 知识库：由数据库和规则库组成。数据库所存放的是所以输入输出变爨的全部模糊子集 的隶属度矢爨值( 即经过论域等级的离散纯盛对应值的集会) ，若论域为连续域，则梵隶属 函数。规粪| j 库用予存放语言控裁蔑则，篾刘是基予专家褰识或操佟人受长期积累豹经验，按 入盼豢激攘理的一直语言表示形式。横糊撬则通常由一系捌关系调遣接聪成，如：l f _ 戳毪n ， e l s e ，a l s o ，e n d ，o r 等，对多变蹩模糊控制系统还宥黜d 。关系词必须经过“翻译”， 才能将模糊规则数值化。存放控制规则的规则库的“准确性”，不仅与规则条数相关，还与 专家的知识准确度有关。 推理机：是模糊控制理论中最基本的问题。以模糊概念为基础，根据输入模糊量，由模 糊控制规煲| 完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制餐的功戆部分。它通常是在 模獭控制器设计过程中选定的攥瑗算法软件，但藏蔫瑗代徽泡予各集戒技术麴发展，具存该 类功熊的硬件己被逐渐应用。 清晰傀接口：产生一个精确的或鼍# 模糊的控制作用，这一作用是在对受控过程进行控制 之前通过爨程变换来实现的聆。 4 2 模糊控制的应用及发展方向 囱予模糊控制不需要建立被控对象的数学模型，具有鲁棒性好、适应予非线性时变滞盾 系统的控制，较爨建立语言变量控制规则等优点，模糊控制技术在实际残孀中取得缀大成功。 我潜摸糊控稍理论及应用磺究是从冬代开始麓，大多数是进行瑷论研究，懿对模糊控黼系 统的缩擒、模糊推理算法、自学河竣爨缀织模糊控翻器以及模襁控制稳定性薅题的研究，成 果主簧集中在工业炉窑及造纸机的控制以及家用电器等方丽【3 2 州1 。 模糊控制虽然有缀多优点，但也有自身的局限性： ( 1 ) 模糊规则易受人的主观影响，并且规则语言还不足以表达控制复杂过程需要的启 发式知识； ( 2 ) 稳态精度欠佳； ( 3 ) 黠大漆惹对象效莱不好； 寒涛：轮式工程橇械鞠轮转囱叁动控裁系统的研究第1 6 页共4 8 燹 ( 4 ) 系统设计无统一艘范的方法。 为解决这些茂蘧，模糊控制的研究方恕是与其它控铡方法集成，翔模糊模型参考巍适应 控制，模糊神经网络自适应控制，仿人智能模糊控制等，同时，向多变量方向发展也是一个 趋势8 1 。 4 3 模糊控制类型 l ，p l p 模攒控铺 p i d 模糊控制是用模糊技术与常规p l d 算法相结合，一般模糊控制器与p i 控制器有相似 之处，键控制器的静态误差不能消除，为改善静态性麓，热期一个模糊积分单元，形成羚 模糊控锕，它比单个酶模糊控黼器和攀个静p 国控翩器均有更好的控制性能汹3 。 2 自适应模糊控制 自适应模糊控制是指鼹有自适应学习算法的模糊逻辑系统。与传统的自适应控制器相 比，最大的优点在于自适应模糊控制瓣戆利用操作人员的语言性、横糊性信息，对那些具有 非线性、大时滞、高阶次酶复杂系统有更好的控截性熊戮3 。 3 。神经网络模糊控制 神经涮络摸糊控制系统在对信息酌加王修理过程中，表现密缀强酶容错能力，剩羽模糊 系统可以蛮接处理结构讫知识魏长处和神经霹络强大的学习劝麓将亭牵经网络的学习枫铡弓i 入模糊系统，使模糊系统也有自学习自适应能力和并行分布处理结构来完成模糊推理过程。 它大致分为常规的神经模糊控制和自适应神经模糊控制两类汹1 。 毒专家模糊控制 通过模糊控制和专家系统豫种技术的集成，在专家系统糟模獭集秘模糊逻辑来表示和处 理知识的不确定性和不精确性，运用模糊逻辑和人的经验知识及求解控制问题的启发式规则 来构造控翻策略。它既有模糊控裁鲁棒性强、自适应熊力强酶优点，又有专家系统技术的表 达岛利溺知识韵长处瑚。 5 仿人智能模糊控制 利用仿人智能技术妥善解决控制的稳定性、准确性与快速性的矛盾，能较好地应用于纯 滞后对象，与模糊抗扰戆力特性结会，使仿人智能模糊控翩对强于扰、大滞后对象有良好控 制效果汹1 。 6 。多变量模糊控制 适用予多变量系统，燕处予进一步研究中。 4 4 单持枧与模糊控制 单片机是电子计算机这个庞大家庭中的一个特殊晶种，它的特点就是体积小，带有多种 外围接潮，十分适合用于专门的控制用途。单片机用模糊控制有以下优点： 】可以接收数字量、模拟鬣翻殍荧量 单片机接口有普通的并行i o o ，故甭接收数字璧楚轻丽易举酶事；单片桃靛接鞠还有 审南棒学院2 0 0 4 瀛工辩硕士学位论文第1 7 页焚4 8 页 a 国转换器，所以接收模拟蛩有良好的条件；单片枫有定辩器输入翻及普通酌沈旧，这些可 耀于接收开关量。 2 可以输出数字量、模拟量和开荚最 单片机输出接口有并行i o n ，输出数字量十分方便；单片机的d a 接口、p w m 接口是 模拟量输出接口，开关鬟朋f o e 输出葛# 常简单易行。 3 。模糊纯方便 模糊化包括量化及隶属函数的定义。在单片机中，用专门的算法w 以描述隶属函数，而 爝坐标谶表格也表示隶属鹾数。至予爨能则是一个篱单的冀法。爝软傣执器模糊化并不圈难。 4 反模糊方便 无论采用量大隶属度法亦熏心法，还是采用其它算法，在单片机中都可以由专门的子程 序执行。 5 。模糊推理的执行较容翳 模糊推理在缀多场合巾是耀控彀| 裘执行酶。控截表对予攀片帆藤畜，则是执行查表跳转 而已。如果对控制规则则越接执行过裰推理，根据控制规则前提条件w 以确定在每一瓣间所 涉及的规则条数。一般两富，前提条件有n 个，则涉及的援受| j 最少一条，最多必2 n 条。在软 件处壤巾霹欲较容易判捌出有关系的规涮，铁面进行推理。 另外，只有用单片机构造的控制器才有小的体积。所以，从智能产品的体积角度来说， 必须选用单片机。 5 四轮转向技术在王程机械上的应用分析 5 1 四轮转尚技术与王程机械 目前的轿车转向分为前轮( 2 w s ) 和四轮转向( 4 w s ) ，前者酱遍使用，后者是近年出 瑷的一种新技术，主要盛瘸在一些激较毫缀和薪型轿车上。所谓四轮转淘，是指后轮瞧和_ i ；蓼 轮攘似，具有一定的转翻功能，不仅可以与前轮弱方向转向，瞧可以与前轮反方囱转翔。其 主要目的是增强轿车在高速行驶或者在侧向风力作用下的操纵稳定性，改善低速时的操纵轻 便性，在轿车高速行驶时便于由一个率道向另一个车道的移动调撼，以及减少调头时的转弯 半径。 网轮转向装置按照麓藤轮的偏转麓和车速之间的关系分为掰种类蠹：一种是转角传感 型，另种是车速传感型。转角传感型是指前轮和后轮的偏转角度之间存在一定的因变关系， 即艏轮可以按蔻轮编转方向做慝恕鳊转，也可以做反方向偏转。车速传感型是裰据事先设诗 的程序规定当车速达至g 巢一预定值辩( 通常为3 5 4 0 k m h ) ，慝轮熊与蘸轮嚣方向偏转，当 低予某一预定值时，则与前轮反方向偏转。目前的四轮转向轿车既有采用转角传感型，也有 采用车速传感型，还有二者兼而用之的。例如马自达9 2 9 型轿车的四轮转向就是具有两种类 型酶特点。 从汽车转向的基本过程来看，无论采取怎样的转囱形式，都蹩健汽车在转弯时产擞熏心 朱涛：轮式工程机械蠲轮转向自动控潮系统的研究第l s 页焚4 8 燹 斡平移和绕重心的转动，这嚣种运动的结合促使汽车完成了转向的过程。当汽车方辩盘的转 角和车速都确定下来豹时候，那么前轮转向汽车豹行驶状态蹩单一的，焉四轮转鑫汽车麓行 驶状态则会随着后轮与前轮之间的角度不同或相同而变得多种多样，这是两轮转向和网轮转 向的根本差别所在，也是后者比前者优越的关键之处。 汽车前轮在做转向时，会产生一个作用在前轮的侧向力，这时艨轮也会产生一种离心力， 这种作用力就会使车辆程纛蛊辘线方内上产生一个扭矩，增大了籁熬臻用力，使车辆不能稳 定。而有四轮转向装置的车辆，前后轮会相互配合，减弱倾翻作用力，侧滑也会减少，从而 保簿了褥率的安全。 汽车在徽壹线行驶瓣，由于受劐车速和路瑟衡藏风力赡影响经常会走德。这辩有觏轮转 向装鬣的车辆的微处理器就会根据车速和前轮转角进行计算，确定聪轮的转角数值，以变动 对变动来保持车辆行驶的稳定性。 四轮转向车辆的前艨轮装置之间的联系形式有机械式，也有液攘式、电子式等。掰蒋四 轮转向装置已将机械、滚莲、毫孑、传感：器和微处理器控制技术紧密结合在一起，在缀大程 度上改善了轿车的转向特性，提高了操纵稳定性。 翻前工程枧援上应用睡轮转向技术熬还很少，黉海燕这领域更是空自，是遥轮转恕技 术不逶会工程机械吗? 飚答楚否定的，蹲轮转向技术在工程规械上的疲雳有广阔豹蓠景，毅 轮转向技术能很好地适用于工程机械的技术条件和使用环境。大家知道，在工程机械中轮式 机械占了大部分，轮式工程机械中铲运机械是重点，它们一般在野外作业，运输范围以中短 程为主，需要频繁转向和徒返装卸物辩，为了提高工作效率，我们希望工程机械在频繁转向 中尽鬣缝减小转弯半径，并在快速行驶时保持车辆良好昭机动性和安全稳定性。在行驶中改 变方向对工程机械来说是家常便饭，转向时侧向附着力极限是一个致命的限制，超过其附着 力限制裁会出现锲| | 港现象，这样就达不剿我们譬豹，另外，转良时会形成离心力，它翱车轮 垂赢谣上的作用力一起构成了侧尚的倾翻力矩，妇栗是霪载快速转翔则离心力会很大，倾翻 力矩可能超出了车辆的稳定极限，将不可避免地发生安全事故。如何解决这一矛盾，使其既 能提高作业效率，又能恰当避免超出机械本身和作业条件构成的备种限制，安全有效地工 作? 自然，人黼的目光转向以智能控裁芯片为主的自动控制系统，考虑到工程机械速度不离 以及作渡精度要求低酶现实情况，应羽8 位单片枫作硬件系统主体，以模糊算法为核心控制 软件比较合适。目前，在工程机械网轮转向机构上应用墩子装置，采用模糊控制的几乎为零， 国内熬研究主要集中在装置结构翻接削方法上，均处于理论研究阶段，离实耀还有樱当距离a 但是，对瞪轮转离技术在工程机械上藏用研究无疑是缀有份悠的，它酶应用对提高工程机械 自动化程度有着很现实的意义。 5 2 车辆转向过程的运动学分析 对车辆越线运动进行初步分析时，把车辆看作平行予路面的平骶运动。即车辆没有垂壹 运动，沿z 轴的位移必零；绕y 轴的俯仰兔、绕x 轴的侧顿焦均为零。另外假设车辆前进遗 中南林学院2 0 0 4 届工科硕士学位论文第1 9 页共4 8 页 凌不变，圈沿x 轴的车辆( 绝对) 速度y 不变。因既车辆只有沿y 轴的德向运动与绕z 轴 的横摆运动这两个自由度。下谣分析中令固结于车辆上的动坐标系原点与车辆重心重合。在 建立运动微分方程时还假设：驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎机械特性的影响；侧向 加速度不超过0 3 - 4 ) 4 9 ，轮胎侧偏特性处于线性范围；没有空气阻力作用；前轮偏转角d 不 大；忽略左右轮胎的差别。这样车辆便简化成一个二轮摩托率模型，见图1 0 。它是一个具 有侧囱及横摆的二自由度车辆模型1 4 1 州l 。 根据刚体运动微分方程( 这部分在系统仿真模型孛有毙较详细熬分析) 可捌出二皇由度 车辆模型的运动微分方程： 】，一m ( p + r v ) z n = i z 户 其中：z y 为全部外力在y 方向投影的代数和；z n 为全部外力对z 轴力矩的代数和；m 为 率辆的全部质量；j ，为车辆对z 轴的转动惯量；，为车辆绕z 轴的转动角速度；y 和矿分 别为绝对速度矢量在x 轴和y 轴鲍速度分量。 豳1 0 = 自由度车辆梗翌 作用于车辆的外力来自地聪，外力的大小取决子前后轮胎的侧偏角，侧偏角直接与车辆 懿运动参数有关。车辆前轮麓偏转角为万，前、后轴中点的车速荛k 、砭，德偏角力a ；、 掰，重心侧滑焦为声。若车辆前进速度为v ，澄y 辘的侧编速度为y ，燕： = v l v 根据坐标系的规定，前轮侧偏角口。为： 掰。= 一p 一掌) = 孝一艿 式中，善为前轴中点速度矢景k 与x 轴的夹角，其值为： 孳= l y + 孵1 f y = $ + a r v 嚣烧瑾 = 多+ 拶矿一艿 鲞塑! 墼萎三罄枫麟四轮转向自动控制系统的礤究第2 0 页共4 8 贸 溺瑷 口：= b r ) v = 一b r v 作耀在车辆土的外力必翦、震车轮魏侧偏力誓及艺，鬈瀣y 辘瓣分燕为誓c o s 6 嚣， 敞 】，= he = k l a l 十七2 口2 z n = 搿墨一6 墨= 蹦患l 嗷一b k 2 a 2 经熬理可得二自豳度车辆运动微分方程为： 镌+ 如冷+ 0 嚷一b k ： ，y k , 6 一勉r y ) e 嘁一务镌归+ 0 2 k t + 刍2 k ： ，y 一蔽，参一t 户 遴过物理和咒餐熬分橱，我们霹数番逛重心侧游角与车辆前进速度矿和前矮轮侧偏 角、掰，和前轮的偏转角为d 等物理和几何参数有关联。上述运动微分方程是对只有前轮 转向的车辆作出的分析，同样的道理，对四轮转向车辆的分析，我们可以得出结论：重心侧 滑熊与率辆前进速度矿和嚣惹轮侧偏角妈、窿，和前舞轮翁偏转蕉套、6 等参数有关联。 换个角度讲，我们田潋扶影嫡重心侧滑惫夕的诸多参数中选择车辆黼蘑轮的偏转角痧、 拶两个参数，并对其捧出调整来达到控制曩标。 从以上的分析中可以看蹴最蓐的微分方程是在粳多条件前提下得到的，就车轮转淘聪 畜，我销不褥不提起举轮的倒偏现象，下露我镌裁来分析一下轮胎韵铡偏现象。 率辆在行驶过程中，由于各种原因，如路砸的横向倾斜、横向风的作用溅曲线行驶的惯性力、 偏转车轮等，车轮中心在垂直予车轮平砸的方向上会作用有侧向力。我们知道车轮是具有侧 囱弹性鳇，鲞有亵l | 囱力作用时轮胎会发生侧向变形，这样就会爨现车轮滚动静长轴线与车轮 平西错歼的情形，两者之越的夹角就是率轮的侧偏角。根据动力学的分析，车轮的侧向力的 分布宙予受到侧向酣蔷极限的黻铡并不总是均匀的，这裁导致了侧偏蹙与侧囱力之润的毒线 性关系，如圈l l 所示。 善 r 蓬 嚣 2 0 0 0 1 0 0 0 0 44”891 6 。 侧镶燕程 豳1 1 轮胎的侧偏特性 器。3 工程机械四轮转向控制系统方案 s 。3 。l 缡构实现 基于轿车的四轮转向系统鹣机构形式，考虑工程枫械羽现实情况，我寒j 提出威愆电子控 主宣整学院2 0 0 4 届工科硕士学位论文第2 1 页共4 8 页 一 ：= ：= ： 制式四轮转向系统结构形式，如图1 2 所示。其结构与日产汽车公司的四轮转向系统近似，但 它们之间有区别：第一，它只有一套转向系统，而不是像日产汽车公司的系统那样装配有两 套转向系统，这样做虽然有不少缺点，但也有很多优点，它可以省去很多的限制，将精力全 部集中到一套系统上，使其能更好地完成工作；第二，其后轮偏转可以达到理想的角度，由 于省去了结构布局上的很多限制，加上又是应用在工程机械上，这诸多因素决定了其后轮偏 转角度范围可以做到与前轮的一样；第三，液压系统工作腔内液压油容积的增减与后轮偏转 角度的大小和方向有合理的逻辑关系，当液压油容积增加时，后轮与前轮间是逆相位转向， 而当液压油容积减小时，后轮与前轮间是同相位转向，并且转向角度的大小与液压油容积增 减幅度成比例，在该系统中后轮的偏转角度可以由单片机的p w m 输出的占空比来调整。 图1 2 四轮转向系统结构图 5 3 2 转向系统控制算法探讨 在基于二自由度车辆模型的运动分析中，我们作了很多假设，另外在轮胎的偏转特性中， 我们看到其关系是非线性的，这些都决定了我们得到的方程式无法精确地描述事实本身，而 只能是一种近似。既然有非线性和近似的成分出现，那么用一般的经典或现代控制方法是达 不到很好的控制效果的。原因很简单，在经典控制和现代控制中，一个要求得到精确的传递 函数表达式，另一个则需要列出控制系统的状态方程【4 5 1 ，我们清楚这些要求对该系统而言 是很高的，可能会出现一些系统参数及措施与结果之间的矛盾无法整合的情况。既然没法确 定经典控制和现代控制能达到很好的控制效果，那么，我们将解决问题的目光投向模糊控制 领域就成了必然的选择了。从问题本身来讲，用模糊语言来描述可以做到恰到好处，而且， 模糊逻辑关系可以集专家知识和实际操作经验于一身，具有鲁棒性强和调整灵活的优点，在 很多经典控制和现代控制无法达到控制目的的系统中，模糊控制的应用与研究都取得了很大 一 朱涛：轮式工程飘械鞭轮转向自动控铡系统的研究 第2 2 页共4 8 页 的进展，鸯很多还取得了良好的控制效果。因此，在本系统中，我嚣j 选择模糊控制算法作为 其控制系统软释孩心。 5 3 3 控制系统设计的主要内容 经过以上分析，我们确定系统开发主要包括三个方面的内容：一是单片机系统硬件电路 设计，包括接墨= 扩展、前向通遭和籍向避道设计；二是系统软件开发，主要包括模糊控制查 询表、系统主程序和予程序设计；三廷仿真系统设计和仿真结果，以验证该系统的有效性。 6 系统硬件电路设计 如图1 3 所示，芯片p i c l 6 f 8 7 7 、时钟摸块、i o 接弱电路、显暴邀路和复位电路组成了系 统核心秘数据交互通道；a d 转换、滤波放大帮传感器部分构成了控制系统盼翦惫通道，光 电隔离、驱动放大电路和后轮偏转机构构成了控制系统的后向通道。系统的工作原理为：安 装在轻载和重载质心位置的两角速度传感器检测出横摆角速度，然质经滤波放大送入a d 转 换得到角速度的数字信号，车速信号翱载重信号分别出车速传感糕； 鞋载薰传感器得到，前、 舞轮偏转角数据由安装在蘸、詹轮转勰：机构靠近车轮一侧的诱转兔传感嚣褥到；p i c l 6 f 8 7 7 单片机控制系统软件通过对载荷的鉴别得到载荷级别，进而选取适嬲的横摆角速度数据，考 虑载赘级别著根据车速和甍蓼轮偏转角数据确定系统的输出，将一定量豹数据保存在数据寄存 器内，便于送入显示模块并随时更新。在前轮偏转是一定的情况下，该系统的输出可 麸随蓑 速度的变化适度地调撼，经p w m 输出确定液压阀开启绒关闭的时间以控制工作油缸内液压 油容积，最后控制后轮偏转机构工作。 i 。以卜l 矗璐瑚壁趣毒盘建f 量 车王 、r 一便撩用】墨发馕丐 l l e d 显示赔 蒋 放 叫 车速信号 大 q 辩 o 移滤 p 溅 s 波 叫 载重信号 磊 耘 麓 昏 淡 _ 溅 移前厥轮偏转角信号 u 塞 冒 后轮偏p ，m 叫黧 婚 转机构 l 时钟模块卜q l 输出 豳1 3硬件电路示薏圉 6 1 单嚣机芯冀选取 考虑到轮式工程机械的速度一般较低而且野外作业的环境恶劣，控制系统酶精度袋求 般不巍过高，加上经济的因数，系统的控制芯片采用8 位单片机比较合适。现今，市场上流 行的攀片机类别主要是5 l 系列和p i c 系列，目前，p i c 系n 8 位单片机的销售量已经跃腾全球 第一位，其8 砬单片机分三个缀剜，分剐为基本级、孛级帮舞级。p i c l 6 f 8 7 7 属于中襁8 位单 片机1 4 8 1 ，其主要性能特点： 中南林学院2 0 0 4 届工科硕士学位论文第2 3 页共4 8 页 一- ：二： ( 1 ) 高性能类r i s c ( 精简指令集) c p u ： ( 2 ) 一共只有3 5 条单字长指令，除程序分支是双周期指令外，其他所有的指令都是单 周期指令； ( 3 ) 工作速度：d c 2 0 m h z 时钟输入，d c 。2 0 0 n s 指令周期； ( 4 ) 高达8 k 字节( 字长l 4 位) 的程序存储- 器r f l a s h ，高达3 6 8 字节的数据存储器, r a m ， 高达2 5 6 字节的数据存储器e e p r o m ； ( 5 ) 具有与p i c l 6 c 7 3 b 7 4 b ，7 6 7 7 兼容的引脚； ( 6 ) 8 级硬件堆栈和多达1 4 个内部j l - 部中断源； ( 7 ) 直接、间接和相对寻址方式； ( 8 ) 上电复位电路( p o r ) ； ( 9 ) 上电延时定时器( p m r t ) 和振荡器起振定时器( o s t ) ； ( 1 0 ) 带有片内r c 振荡器的监视定时器( w d t ) 以保证可靠工作； m c l r v p p r a 0 a n 0 r a l a n l r a 2 f 八n 2 n u f r a 3 ，a n 3 v r e f + r a 4 厂1 o c l 上，其量化因子吼为： g ，= 而2 - ( - 2 ) = 。1 显然，对车速模糊划分的相应离散域元素为： k = q ，木( 0 2 0 ) = 一2 = q ，宰( 8 2 0 ) = 一1 2 取整后= 一1 巧= q ，宰( 2 0 一2 0 ) = 0 虼= q ， ( 3 2 2 0 ) = 1 2 取整后圪= i 虼= q ，宰( 4 0 一2 0 ) = 2 其隶属函数选择灵敏度较高的三角形函数，如图2 2 所示。 图2 2 车速的隶一函数 前轮偏转角万的论域为 3 5 ，+ 3 5 ) ，转换到离散域 - 3 ，- 2 ，- 1 ，0 ，+ l ，+ 2 ，+ 3 j - ， 其量化因子q 占为： q a 2 =! 二塑： 3 5 一( - 3 5 ) 。 3 3 5 万。= q 占木( - 3 5 一o ) = 一3 謇涛：轮式工程机械飚轮转向自动控制系统酌研究第3 2 疑共聿8 炎 嘎黼q 善臻( - 2 5 - o ) ：- 2 1 敢整藤艿2 = 一2 磊= 钰枣( - 1 5 一o ) - 一1 3 取整籍坑= 一1 文一g 艿木( o o ) 勰0 以一g 艿宰e 5 一o ) 鬻1 3 取攘后蠡= l 瓯一鬈葶枣q 5 一o ) 拦2 1 取整籍瓯= 2 舀端鳓拳5 一o ) - 3 同样，我们选取三角形溺数作为其隶属函数，如豳2 3 所豕。 黼豁辩辘镝转鬻耱隶鲞戴 对于控制系统输出麓q r 的离散纯，依照上述方法谢求褥其离散论域为 - 2 ，* 1 ，0 ，牛1 ， 蛇b 其隶属函数也选耀灵敏魔较态的三建形函数，如剿2 4 所示。 湖2 霹滚送濑拇积的隶震菌数 中南秫学院2 0 0 4 满工科硕士学位论文第3 3 页共4 8 页 7 1 。4 模糊控制规茭| j 的建立 根据系统的控制舀标，电专家知谈帮实际操作经验，我们给漪模糊控制规则如下： l f5 = n ba n dv = n lt h e n q t = i p l i f 艿- n ba n dv = n st h e n q t = i p s i f 艿= n ba n dv = ot h e n q t = i p s l f 万= n ba n dv = p st h e nq t = h o l d i f8 = n ba n dv = p lt h e n q t = d p s i f6 = n ma n dv = n l t h e n q t = i p s i f 艿= n ma n dv = n st h e n q t = i p s i f8 = n ma n dv o t h e n q t = i p s l f 艿= n ma n d v = p st h e n q t = h o l d l f5 = n ma n dv = p l t h e n q t = d p s l f 万= n sa n dv = n l t h e n q t = i p s i f 万= n sa n dv = n s t h e n q t = i p s i f 万= n sa n dv = o t h e n q t = h o l d i f 万= n sa n d v = p st h e n q t = h o l d i f6 = n sa n d v = p lt h e n q t = d p s i f8 = 0a n d v = n lt h e n q t = h o l d l f5 = oa n d v = n st h e n q t = h o l d l f 艿= oa n d v = ot h e n q t = h o l d i f 万= oa n d v = p st h e n q t = h o l d l f 万= oa n d v = p lt h e nq t = h o l d i f 万= p sa n d v = n lt h e n q t = d p s i f 万= p sa n d v = n st h e n q t = d p s i f 占= p sa n d v = ot h e n o r h o l d l f 艿= p sa n d v = p st h e nq t = h o l d 一墨鎏：轮式工程瓿褫圈轮转囱自渤控嗣系统瓣磺究 第3 霹燹共4 8 燹 一一一一一 ： ： l f 艿= p sa n dv = p lt h e n o t = i p s i f6 = p ma n dv = n l t h e n q t = d p s l f 艿= p ma n dv = n s t h e n q t = d p s i f6 = p ma n dv o t h e nq t = d p s l f 艿= p ma n dv 神s t h e n q t = h o l d l f 艿= n ma n dv = p l t h e n q t = i p s i f8 = p ba n dv = n lt h e nq t = d p l i f6 = p ba n dv = n s t h e nq t =