分布式铰接车辆复合转向耦合机制与车路协同控制研究

The purpose of this project is to meet the requirements of flexible steering, high efficiency, stability and safety of articulated truck during its steering process. The mechanical- motor - hydraulic coupled dynamic model of articulated truck will be built based on the interaction force between tire and terrain. The steering performance and energy consumption of articulated truck will be analyzed using the multi-domain steering dynamic model. The hybrid steering mode assisted with the motor differential driving will be proposed using the characteristic of motor-drive wheel controlled independently. And the steering control strategy of articulated truck is presented based on the coupling of electric-hydraulic steering system which can improve steering performance and reduce the steering power requirement. Considering the multi-objectives of energy saving, dynamic stability and safety, the driving torque distribution method of articulated truck will be established using the coordination control strategy of individual drive wheels. The optimal steering modes of articulated truck can be selected using the machining learning based on truck-road-environmental closed-loop control condition. The adaptive transform mechanism of multi-steering modes is investigated to realize the intelligent steering control system of articulated truck. This project can provide the fundamental theory support for the development of independent drive wheel articulated truck, and it will improve independent research & development level in the field of our country’s construction machinery.

本项目针对分布式铰接工程车辆转向过程中灵活转向、稳定行驶、高效节能等性能需求所涉及到的基础问题，基于路面与轮胎相互作用力的关系，建立机-电-液耦合作用下的铰接式工程车辆转向动力学模型，研究多场耦合作用下铰接工程车辆的转向性能和能耗特性；基于铰接车各轮可独立驱动控制的特点，提出电机差动驱动转向下的铰接车复合转向方式，研究电液复合转向作用下铰接式电动轮的耦合机制，提高转向灵活性，降低对转向系统的动力需求；以铰接车转向安全、节能与稳定为目标，建立铰接式工程车辆多轮独立驱动协调控制策略；基于机械学习进行车-路-环境闭环控制下的铰接车优化转向模式的识别，研究铰接车转向模式的自适应转换控制机理，实现铰接车的智能转向。本项目将为铰接式工程车辆的设计与研发提供基础理论支持，提高我国工程机械领域的智能化技术水平。

建立了耦合全液压转向系统、驱动电机在内的铰接车非线性系统动力学模型，以35t载重铰接式自卸车的实车场地试验和多体动力学仿真模型，对所建立的多场耦合车辆模型在低速和高速时的准确性进行了验证。.基于分布式驱动铰接车的结构特点，提出了铰接车差动转向方式，并基于理论、仿真和实车验证了其差动转向的可行性；提出了铰接车差动辅助液压转向控制的两种方式：（1）跟随液压转向的轨迹，设计前后车体的差动转向：通过对非线性铰接车动力学模型的解耦分析，以整车全液压转向过程的转向油缸内部油压为参考，求解前后车体差动力矩，使得车辆差动辅助转向跟随其全液压转向过程；（2）铰接车整体差动转向：将转向过程中一定铰接角下的铰接车作为变结构的刚性车，研究了该情况下分布式驱动铰接车的差动转向方式，通过对纵向驱动力的合理分配形成差动力矩，使该刚性车辆围绕虚拟质心进行差速转向。.完成了缩比分布式驱动铰接试验车辆的设计、结构加工及装配；设计了直驱式容积控制液压转向系统，并完成了集成液压单元的结构设计、加工与控制；搭建了基于ROS系统的整车驱动控制及液压转向控制系统，为差动转向试验研究提供实车基础。.利用试验数据及仿真模型分析了影响铰接车横摆稳定性的因素，提出了一种融合差动力矩补偿的铰接车辆路径跟踪控制策略，并利用轮胎力优化分配方法改善了铰接车车身姿态的稳定性；建立了基于MPC的整车差动转向稳定性控制器，对不同工况下的整车稳定性控制效果进行了验证；设计了融合车辆行驶稳定性的路径跟踪控制器，通过对预测时域的自适应设计，实现了基于多目标的铰接车复合转向模式下的路径跟踪控制。.分析了差动转矩的施加对铰接车转向阻力的影响，阐明了差动转向节能的机理，提出了差动协同转向控制策略，应用动态规划和NMPC，实现了节省液压转向系统能耗和驱动电机能耗的目的。

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