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      電動(dòng)叉車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略探析

      2019-08-06 03:01:54關(guān)文杰
      中國(guó)設(shè)備工程 2019年13期
      關(guān)鍵詞:前后輪電動(dòng)叉車線控

      關(guān)文杰

      (杭叉集團(tuán)股份有限公司,浙江 杭州 311305)

      線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是指將駕駛員的控制指令傳入電子控制器中,并由電子控制器根據(jù)當(dāng)前路面狀況、車輛狀態(tài)、方向盤轉(zhuǎn)角等多方面綜合情況展開計(jì)算,得出最為合適的輪胎轉(zhuǎn)角,并按照這一輪胎轉(zhuǎn)角控制電動(dòng)叉車進(jìn)行轉(zhuǎn)向動(dòng)作。而主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略則是在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對(duì)橫擺角速度、轉(zhuǎn)向半徑等車輛轉(zhuǎn)向性能參數(shù)進(jìn)行有效控制,以避免不足轉(zhuǎn)向或過(guò)度轉(zhuǎn)向的出現(xiàn)。這種控制策略不僅能夠保證貨載的穩(wěn)定性、適應(yīng)復(fù)雜地形,同時(shí)也能夠大大提升電動(dòng)叉車的轉(zhuǎn)向靈活性。

      1 電動(dòng)叉車的轉(zhuǎn)向性能要求

      1.1 轉(zhuǎn)向靈活性

      一般來(lái)說(shuō),電動(dòng)叉車的轉(zhuǎn)向靈活性通常與轉(zhuǎn)彎半徑、車速、橫擺角速度有關(guān),其中轉(zhuǎn)彎半徑意味著電動(dòng)叉車轉(zhuǎn)彎所需要的空間大小,轉(zhuǎn)彎半徑越小,則叉車在轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的空間也會(huì)越小,其面對(duì)狹窄環(huán)境時(shí)的轉(zhuǎn)向靈活性自然就會(huì)大好,而橫擺角速度則是指汽車?yán)@垂直軸的偏轉(zhuǎn)的大小,這一性能與叉車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定程度有著直接的關(guān)系,如果橫擺角速度達(dá)到一個(gè)閾值,那么叉車就很容易發(fā)生測(cè)滑或甩尾等事故,橫擺角速度越大,叉車的穩(wěn)定性就會(huì)越好,叉車轉(zhuǎn)向時(shí)的靈活性同樣會(huì)更強(qiáng)。但需要注意的是,叉車轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑并非越小越好,而橫擺角速度也不是越大越好,雖然在叉車車速較低時(shí),更高的橫擺角速度以及更小的轉(zhuǎn)彎半徑雖然能夠在一定程度上避免轉(zhuǎn)向不足等問(wèn)題,但在叉車車速較快的情況下,由于駕駛員很容易出現(xiàn)緊張心理,其對(duì)于方向盤的把控也不夠準(zhǔn)確,因此,過(guò)高的橫擺角速度以及過(guò)小的轉(zhuǎn)彎半徑很容易導(dǎo)致過(guò)度轉(zhuǎn)向,從而給叉車行駛帶來(lái)危險(xiǎn),因此,轉(zhuǎn)彎半徑和橫擺角速度能夠很好地反應(yīng)叉車的轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性能。

      1.2 操作穩(wěn)定性

      電動(dòng)叉車的操作穩(wěn)定性是指叉車在行駛過(guò)程中,其實(shí)際轉(zhuǎn)向情況與駕駛者控制指令間的契合度,由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身會(huì)根據(jù)電子控制器對(duì)綜合情況進(jìn)行分析,并控制輪胎轉(zhuǎn)角,因此叉車的轉(zhuǎn)向控制實(shí)際上是由電子控制器完成的,如果電子控制器的分析結(jié)果與駕駛員的駕駛意圖差距較大,那么就很容易使駕駛員出現(xiàn)錯(cuò)誤的判斷與控制操作,進(jìn)而導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。另外,電動(dòng)叉車在行駛過(guò)程中很容易受到外界因素的干擾,而叉車在轉(zhuǎn)向時(shí)能夠有效地抵抗干擾,保持穩(wěn)定的行駛,也同樣是影響電動(dòng)叉車操作穩(wěn)定性的重要因素。從整體上看,電動(dòng)叉車的操作穩(wěn)定性會(huì)受到質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度的影響,橫擺角速度能夠明確駕駛員的駕駛意圖與叉車轉(zhuǎn)向特性,而質(zhì)心側(cè)偏角則會(huì)對(duì)橫擺角速度的反應(yīng)效果造成影響。

      2 電動(dòng)叉車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略

      2.1 解耦控制策略

      電動(dòng)叉車的穩(wěn)定性是由其質(zhì)心偏角決定的,在解耦的控制上,是對(duì)算法中的質(zhì)心偏角以及橫擺角速兩變量之間耦合關(guān)系進(jìn)行解除,優(yōu)化這兩個(gè)量的力學(xué)特征。通過(guò)這種控制算法能將質(zhì)心偏角減小趨近零,從而提高電動(dòng)叉車在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的穩(wěn)定性。根據(jù)三輪二度動(dòng)力方程:將質(zhì)心偏角與橫擺角速二者之間耦合解除,有效地改善了三輪叉車在質(zhì)心偏角以及橫擺角速發(fā)生響應(yīng)的特征。

      對(duì)叉車后輪的轉(zhuǎn)向角展開控制后,改善了其動(dòng)力性能,使其擺脫橫擺角速的影響,僅由車輛的實(shí)際參數(shù)確定,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)質(zhì)心偏角接近零的目標(biāo)。

      電動(dòng)叉車轉(zhuǎn)向在解耦控制中還存在相應(yīng)的缺點(diǎn),致使叉車發(fā)生劇烈的擺動(dòng)??赏ㄟ^(guò)虛擬前輪展開橫擺角速的補(bǔ)償,把此變量以虛擬的方式轉(zhuǎn)到前輪的轉(zhuǎn)向控制當(dāng)中,對(duì)其中的補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行調(diào)整,提高電動(dòng)叉車在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的穩(wěn)定性以及動(dòng)力性能。

      2.2 前后輪等角反向轉(zhuǎn)動(dòng)控制策略

      對(duì)于叉車前后輪的等角反轉(zhuǎn)方面的控制,需要駕駛員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期工作總結(jié)出具體經(jīng)驗(yàn),其中等角的反轉(zhuǎn)是指虛擬化控制,控制前、后論的轉(zhuǎn)角,確保大小相同,方向相反。對(duì)于此部分的控制核心內(nèi)容是將電動(dòng)叉車在瞬間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的軸心時(shí)刻保持在沿車體豎向中心所處的水平線上。在對(duì)前后輪的等角轉(zhuǎn)向控制方面,不但可以在很大程度上縮短電動(dòng)叉車轉(zhuǎn)彎過(guò)程的半徑,而且還能提升其在行駛過(guò)程的靈敏程度,利于叉車處于低速運(yùn)行時(shí)機(jī)動(dòng)性能的提高。在前后輪的等角轉(zhuǎn)向控制上,要符合電動(dòng)叉車在運(yùn)行時(shí)的阿克曼定理。以虛擬化的前輪的轉(zhuǎn)角以及幾何束縛,將前輪轉(zhuǎn)角靈活控制,使其行駛軌跡符合定理中的闡述的幾何關(guān)系,同時(shí)還保障了叉車輪胎和地面之間保持純滾動(dòng)的形態(tài),這樣不但能有效地發(fā)揮輪胎的力學(xué)性能,而且減少了其與地面的磨損。

      3 主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略在各種工況下的反應(yīng)情況

      3.1 高速正弦工況

      以電動(dòng)叉車保持15km/h 的速度為例。其解耦以及對(duì)前后輪的等角等控制都可降低叉車質(zhì)心偏角的值。在解耦控制情況下,叉車的質(zhì)心偏角值能夠在非常微小的狀態(tài),幾乎趨近于零。當(dāng)通過(guò)后輪的等角轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)叉車轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制時(shí),其橫擺角速能根據(jù)輸入系統(tǒng)中的正弦發(fā)生變化,保證其最大值處于0.342rad/s,到達(dá)目的地用時(shí)0.657s。當(dāng)使用叉車前輪的等角轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)其轉(zhuǎn)向控制時(shí),其橫擺角速最高值維持在0.517rad/s,到達(dá)目的地用時(shí)0.648s。叉車解耦控制時(shí),橫擺角速最大值在0.281rad/s,到達(dá)目的地用時(shí)0.557s。由此可以看出,在解耦控制下,其反應(yīng)所需時(shí)間更短,因此,解耦控制有速度上的優(yōu)勢(shì),對(duì)橫擺角速也有較好的控制效果。

      3.2 高速斜坡工況

      以電動(dòng)叉車保持15km/h 的速度為例。在2s 以內(nèi)的仿真時(shí)間,解耦控制質(zhì)心偏角值趨近于零,這也是解耦控制顯著的優(yōu)勢(shì)。使用前后輪的反轉(zhuǎn)控制時(shí),質(zhì)心偏角的值是-0.115rad/s。使用后輪向控制時(shí),質(zhì)心偏角處于-0.144rad/s,相比之下,質(zhì)心偏角的絕對(duì)值降低了。由此可以看出,當(dāng)使用前后輪進(jìn)行等角反轉(zhuǎn)的控制時(shí),能夠改善叉車發(fā)生側(cè)偏的現(xiàn)象。從橫擺角速方面來(lái)看,后輪的轉(zhuǎn)向控制時(shí),橫擺角速處于0.382rad/s。當(dāng)前后輪的等角反轉(zhuǎn)控制時(shí),橫擺角速的值在0.575rad/s,解耦控制通過(guò)仿真達(dá)到了比之前更小的角速度,值為0.285rad/s。通過(guò)以上數(shù)據(jù)也可以看出,在解耦控制時(shí),橫擺角速值比前后輪的轉(zhuǎn)向控制明顯變小,起到了良好的控制效果。

      3.3 低速斜坡工況

      以電動(dòng)叉車保持5km/h 的速度為例。在前2s 時(shí)間內(nèi),解耦控制質(zhì)心偏角趨近零。當(dāng)前后輪的等角反轉(zhuǎn)控制時(shí),質(zhì)心偏角反應(yīng)速度更加快速,其穩(wěn)定時(shí)的值是-0.072rad/s。后輪轉(zhuǎn)向控制時(shí),質(zhì)心偏角穩(wěn)定時(shí)的值是-0.115rad/s,質(zhì)心偏角的穩(wěn)態(tài)絕對(duì)值減小,由此可以看出,通過(guò)前后輪對(duì)叉車的等角反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制改善了質(zhì)心偏角較大的問(wèn)題。針對(duì)橫擺角速,使用后輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制時(shí),其數(shù)值維持在0.144rad/s。當(dāng)使用前后輪的等角反向控制時(shí),數(shù)值維持在0.215rad/s。當(dāng)解耦控制時(shí),其數(shù)值維持在0.181rad/s。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出,這兩種控制方式都能降低電動(dòng)叉車低速行駛過(guò)程中將橫擺角速提高的目的。站在叉車穩(wěn)定性以及具有良好的動(dòng)能性能的角度分析,使用以上兩種方式都能實(shí)現(xiàn)增加其橫擺角速,但是前后輪的等角反轉(zhuǎn)在控制效果方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

      3.4 低速正弦工況

      以電動(dòng)叉車保持5km/h 的速度為例。針對(duì)低速狀態(tài)下的正弦仿真,使用解耦控制以及前后輪的等角反轉(zhuǎn)控制等方法可降低叉車在運(yùn)行過(guò)程中質(zhì)心偏角的值。當(dāng)解耦控制時(shí),其質(zhì)心偏角依然處于較低值,幾乎趨近于0,同時(shí)也說(shuō)明,解耦控制條件下能提高電動(dòng)叉車的機(jī)動(dòng)性能,還提高了其操作的穩(wěn)定性。當(dāng)使用后輪轉(zhuǎn)向控制時(shí),其橫擺角速最高值是0.138rad/s,用時(shí)0.569s。使用前后輪的等角反轉(zhuǎn)控制時(shí),最高值為0.211ad/s,用時(shí)0.555s。使用解耦控制,最高值為0.178ad/s,到達(dá)時(shí)間0.554s。在低速仿真時(shí),解耦控制的速度更快。

      5 結(jié)語(yǔ)

      綜上所述,對(duì)電動(dòng)叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究具有重要意義,既能提高駕駛?cè)藛T的安全性,還能提高叉車的工作效率。通過(guò)以上對(duì)解耦和前后輪等角反向轉(zhuǎn)動(dòng)控制兩方面分析了電動(dòng)叉車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方式,并分別分析了在高速正弦、高速斜坡、低速斜坡、低速正弦下這兩種控制方式的優(yōu)勢(shì),希望為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供思路,完善設(shè)計(jì)叉車的使用性能。

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