第1章 緒論

1.1 課題來源
移動機械行駛的地形一般分為人工路面和非人工路面。非人工路面的地貌起伏不平、構(gòu)成復雜、路況多變且無法預知，如山地、荒野、地質(zhì)災害現(xiàn)場等等[1,2]。移動機械在復雜的地形下行駛或作業(yè)需要具備較強的越障能力，為了實現(xiàn)移動機械在復雜地形下的高越障性能，各個國家的研究機構(gòu)根據(jù)不同的作業(yè)需求和作業(yè)環(huán)境，開發(fā)出了多種形式的移動機械[3,4]，廣泛應用于農(nóng)業(yè)、建筑、運輸、探測、救災、軍事等方面[5,6,7]。

在諸多移動式機械中，鉸接式車輛因其結(jié)構(gòu)形式簡單、機動性強等優(yōu)點被廣泛應用[8,9,10]；為了增強車輛的越障能力，鉸接式車輛通常采用擺動式橋架結(jié)構(gòu)，通過擺動式橋架使車身繞縱向產(chǎn)生一定角度的擺動[11,12,13]，這樣車輛在行進時車輪能與地面充分接觸而獲得足夠的牽引力，如圖 1.1 所示。擺動式橋架結(jié)構(gòu)雖然增強了車輛對地形的適應性，改善了車輛的橫向穩(wěn)定性和通過性，但橋架的擺角一般在±8°~±13°之間，相對較小，，當車輛在某些起伏很大、變化劇烈的地形下運動時，會造成部分車輪懸空，無法提供足夠的牽引力，影響了其對地形的通過能力，無法滿足工作需求[14,15]。

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1.2 研究背景和研究意義
針對現(xiàn)有的擺動橋架式鉸接車繞縱向擺動角度小、地形適應性和通過性不強等缺點，本實驗室研發(fā)了一種越障能力強的二自由度鉸接車體車輛，如圖 1.2 所示，它的前后車體之間能夠產(chǎn)生大角度的縱向擺動，以適應變化劇烈的地形。二自由度鉸接車體車輛的車體結(jié)構(gòu)布局可以使其作為一個移動載體，安裝多種工作裝置，而且它的結(jié)構(gòu)簡單，操控簡便，具有良好的越障性能和強大的野外生存能力，能承擔不同領(lǐng)域、不同類型的作業(yè)任務(wù)，可以廣泛的應用于山地作業(yè)、野外開荒、災害現(xiàn)場清理救援等。
隨著對無人操控車輛需求的增大以及通信技術(shù)、自動控制技術(shù)的進步，國內(nèi)外對于無人操控車輛的研究越來越重視。目前無人操控車輛已經(jīng)成功應用到許多領(lǐng)域。在軍用領(lǐng)域，無人車輛可用于物資運輸、搜救等，可以代替士兵完成危險地帶的軍事任務(wù)，避免發(fā)生人員傷亡[16-17]。在民用領(lǐng)域，無人操控車輛應用范圍更廣，如搶險救災，其工作環(huán)境一般較為惡劣，駕駛員操作工程車輛進行長時間操作會產(chǎn)生疲憊，容易發(fā)生事故，而采用無人操控車輛能避免事故發(fā)生，提高了安全性；在農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)作物的播種、收獲、施藥等需要控制運動路徑以避免損傷作物，人力操控車輛進行作業(yè)時，精度差、效率低，而采用無人操控車輛可以進行精準的運動控制，提高作業(yè)精度和生產(chǎn)效率；在危險的環(huán)境中作業(yè)，如在有毒有害物質(zhì)的環(huán)境下或高危環(huán)境下，作業(yè)人員操控車輛進入現(xiàn)場作業(yè)是有害健康的或不可行的，而采用無人操控車輛則能夠順利完成這樣的工作[18,19,20]。在二自由度鉸接車體車輛的基礎(chǔ)上配備無人操控系統(tǒng)，使其具備惡劣危險環(huán)境下作業(yè)的能力和運動路徑精準作業(yè)的能力，具有巨大實用價值和經(jīng)濟效益，因此對二自由度鉸接車體車輛的無人操控研究具有重要意義。而防傾翻預警及偏移控制作為無人操控技術(shù)中的關(guān)鍵問題，需要加以系統(tǒng)的研究。

無論是實現(xiàn)車輛的無人操作還是傾翻預警，其前提條件都是需要對車輛越障過程進行準確的運動學和動力學建模，分析車輛越障時的運動狀態(tài)和穩(wěn)定性。通過對二自由度鉸接車體車輛越障運動的運動學和動力學分析，可以為車輛的性能改進提供技術(shù)支持，也能為車輛后續(xù)的無人操作控制系統(tǒng)和傾翻預警系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)[24,25,26]。目前，移動機器人的運動學、動力學、運動控制和穩(wěn)定性等問題的研究已經(jīng)形成了較為完善的體系，雖然鉸接式車輛和移動機器人的研究側(cè)重點不同，但是二者的基本結(jié)構(gòu)形式相似，結(jié)合鉸接式車輛穩(wěn)定性研究成果，把移動機器人的研究理論和方法應用在鉸接式車輛上，對于拓展和豐富具有鉸接車體的輪式車輛理論、擴展其應用范圍及提高其應用價值具有深遠的意義。

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第2章 二自由度鉸接車體車輛的結(jié)構(gòu)及性能分析

二自由度鉸接車體車輛前后車體間具有兩個相對自由度，這種結(jié)構(gòu)形式可以使車輛在復雜的地形下行進時，保持全部車輪與地面的良好接觸，提高其越野性能。車輛越野性能的評價方式包括車輛的動力特性、地形機動能力、越障的穩(wěn)定性等。本章主要對二自由度鉸接車體車輛的結(jié)構(gòu)形式、動力特性和車輛越障時的幾何通過性進行分析。

2.1 二自由度鉸接車體車輛結(jié)構(gòu)形式
二自由度鉸接車體車輛在設(shè)計過程中，參考國內(nèi)外的鉸接式移動機械的結(jié)構(gòu)設(shè)計，本車采用了包含前車架和后車架的兩段式車架結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，前車架和后車架分別安裝在前驅(qū)動橋和后驅(qū)動橋上，通過二自由度鉸關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)連接，如圖 2.1 a)所示。其中一個鉸關(guān)節(jié)為前后車架間的轉(zhuǎn)向鉸關(guān)節(jié)，前車架通過上下鉸接銷軸連接到鉸接座上，前車架和鉸接座之間連接有轉(zhuǎn)向液壓缸，轉(zhuǎn)向液壓缸的伸縮能使前車體繞上下鉸接銷軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)車輛運動時的轉(zhuǎn)向；另一個鉸關(guān)節(jié)為前后車架之間的縱向擺動鉸關(guān)節(jié)，鉸接座與主軸套固連，自潤滑軸承與后車架固連，主軸套安裝在自潤滑軸承中，使車輛的前驅(qū)動橋和后驅(qū)動橋可以通過自潤滑軸承縱向擺動，使車輛產(chǎn)生被動適應地形的能力，如圖 2.1 b)所示。車輛的前后車體采用二自由度鉸關(guān)節(jié)連接，能使車輛在越障時車輪充分和地面接觸，車輪的附著性能好，車輛能獲得充分的驅(qū)動力，越野能力增強。

二自由度鉸接車體車輛的動力系統(tǒng)直接決定了車輛的動力性能和爬坡越障能力，車輛在平地、越野運動或者移動作業(yè)時，車輛的速度和牽引力輸出變化很大，因此發(fā)動機需具有較大的輸出功率變化范圍[118]。二自由度鉸接車體車輛采用雙橋驅(qū)動，使牽引力的附著性能相比單橋驅(qū)動有顯著改善，有較好的操縱性、縱向穩(wěn)定性和良好的通過性，如圖 2.2 所示。

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2.2 二自由度鉸接車體車輛動力性能
由式 2.9 和式 2.10 可以看出，二自由度鉸接車體車輛在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時，每個車輪的轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向速度不同，如果車輛穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時各車輪的轉(zhuǎn)動速度不協(xié)調(diào)，則會導致轉(zhuǎn)向時輪胎和地面發(fā)生滑移和剪切變形�？紤]到這一問題，在二自由度鉸接車體車輛的設(shè)計中，在前后橋裝置了差速器，使每個車輪在轉(zhuǎn)向時按照各自的轉(zhuǎn)速運動，避免車輛在轉(zhuǎn)向時前后橋出現(xiàn)干涉導致轉(zhuǎn)向阻力矩增大，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向滑移、輪胎磨損嚴重等現(xiàn)象。
如果二自由度鉸接車體車輛的前后車體長度相等，根據(jù)式 2.9 和式2.10，前后車體的轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向速度相等。在二自由度鉸接車體車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計中，前車體長度比后車體長度小，因此車輛在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向中，前車體的轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向速度大，通過給定前后車體間最大轉(zhuǎn)向角度1  和車體幾何參數(shù)，可以求得理論上車輛穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時的最小轉(zhuǎn)向半徑約為 3.97m。

二自由度鉸接車體車輛的越障能力與車輛的動力性能有關(guān)，也與車輛的設(shè)計參數(shù)有關(guān)。車輛在各種障礙地形下運動，在不發(fā)生傾翻的前提下，要最大限度的保證車輛對障礙的通過能力，這是車輛設(shè)計時需要考慮的因素。車輛的通過性是指在一定負載下，車輛通過各種路面（如土地、沙地、雪地、沼澤等）和通過各種障礙（坡道、臺階、路溝等）的能力[120]。因此通過性可以分為兩類，即支承通過性和幾何通過性[121,122,123]。支承通過性的指標一般包括：牽引系數(shù)、牽引效率、燃油利用指數(shù)、附著質(zhì)量和附著質(zhì)量系數(shù)、車輛接地比壓等，它與車輛選擇的發(fā)動機、驅(qū)動形式、車體質(zhì)量等因素有關(guān)[124-127]。

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第 3 章 二自由度鉸接車體車輛的動力學模型·············25
3.1 多剛體系統(tǒng)動力學基本理論··················· 25
3.2 二自由度鉸接車體車輛在復雜地形下的動力學模型········· 27
第 4 章 二自由度鉸接車體車輛的穩(wěn)定性分析············41
4.1 二自由度鉸接車體車輛的靜態(tài)穩(wěn)定性·············· 41
4.1.1 二自由度鉸接車體車輛一級靜態(tài)穩(wěn)定性 ··········· 41
第 5 章 二自由度鉸接車體車輛的越障偏移現(xiàn)象研究·········65
5.1 二自由度鉸接車體車輛越障偏移現(xiàn)象和研究意義········· 65

5.2 二自由度鉸接車體車輛的運動學建模············· 65

第6章 二自由度鉸接車體車輛的路徑偏移飽和控制

鉸接式工程車輛用于地下礦井運輸，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面的作業(yè)時，只需要按照固定的路徑行進就可以完成作業(yè)，這些地方一般都具有環(huán)境條件惡劣、作業(yè)量大、形式單一等特點，操作者現(xiàn)場作業(yè)存在危險系數(shù)高，工作效率低等弊端，而通過對車輛的改進，實現(xiàn)無人操控作業(yè)，能夠避免惡劣的環(huán)境對操作者的傷害，可以提高生產(chǎn)效率，降低成本。目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些自動化作業(yè)的車輛，如礦井鉸接式運輸車、農(nóng)業(yè)播種機等。

二自由度鉸接車體車輛因其地形適應能力強，功能上可擴展性好，適用于多種工況，為了更好地發(fā)揮其優(yōu)勢，在危險惡劣環(huán)境中高效率作業(yè)，研究其無人操控技術(shù)極具應用價值。車輛無人操控的核心是車輛的運動控制，而控制算法的優(yōu)劣則決定了整個車輛控制系統(tǒng)的好壞。鉸接式車輛在運動中，使車輛運動路徑偏離原路徑的因素很多，包括：車輪與地面相互作用產(chǎn)生的滑移、滑轉(zhuǎn)；每個車輪與地面接觸的滾動摩擦系數(shù)不同引起的轉(zhuǎn)向阻力；車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計中車輪驅(qū)動力分配誤差；液壓轉(zhuǎn)向機構(gòu)的柔性引起的轉(zhuǎn)向擾動；車架裝配中，前后車體存在轉(zhuǎn)向偏差；前后車體的車橋相對擺動引起的運動方向偏移等，由于上述問題的存在，需要對二自由度鉸接車體車輛進行路徑偏移控制。由于在工程應用中普遍存在控制輸入飽和現(xiàn)象，目前對于輪式移動機械的路徑偏移控制中，有關(guān)控制輸入飽和的問題研究較少，因此針對二自由度鉸接車體車輛路徑偏移控制中執(zhí)行器飽和問題的研究具有重要的意義。

6.1 執(zhí)行器飽和現(xiàn)象及研究方法

在工程應用中，很多系統(tǒng)都具有非線性的特點，在非線性系統(tǒng)中，當執(zhí)行器的輸入量較小時，輸出一般呈線性增加，當輸入增大到一定程度時，輸出達到某一量值而不再增加，這種現(xiàn)象就稱為執(zhí)行器（控制輸入）飽和。執(zhí)行器飽和(actuatorsaturation)是在工程上普遍存在的現(xiàn)象，在線性系統(tǒng)中，一般控制輸入的大小是沒有約束區(qū)間的，可以取任意值，但是在實際的應用中，所有的執(zhí)行機構(gòu)都具有固有的物理約束[153,154]，如二自由度鉸接車體車輛的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制閥的閥口開度有限，液壓控制閥有最大流速的限制，由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力矩是有上限的，而且液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的液壓缸活塞桿伸長量存在最大值，則轉(zhuǎn)向時前后車體間的轉(zhuǎn)向角度也在一定范圍內(nèi)變化，所以在對二自由度鉸接車體車輛進行路徑偏移控制時，必須要考慮液壓轉(zhuǎn)向機構(gòu)作為執(zhí)行器的控制飽和問題。

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第7章 結(jié)論與展望

二自由度鉸接車體車輛相比普通的鉸接式車輛，地形適應能力強，功能上可擴展性好，可以應用到很多的領(lǐng)域，有著巨大的發(fā)展前景。全面了解二自由度鉸接車體車輛的性能，實現(xiàn)車輛的無人化操作，需要分析車輛的運動學、動力學特性，研究車輛的越障穩(wěn)定性和控制方法。

7.1 結(jié)論
二自由度鉸接車體車輛的前后車體之間存在擺動，車輪和地面的接觸屬于三維空間，而普通的鉸接式車輛輪地接觸都在同一個平面內(nèi)，因此本文中采用了多剛體動力學方法，建立了車輛在三維空間下運動時的動力學模型。因為車輛在越障過程中姿態(tài)變化明顯，液壓轉(zhuǎn)向機構(gòu)的柔性會對車輛的動力學性能產(chǎn)生影響，在車輛的動力學建模中，加入了液壓轉(zhuǎn)向機構(gòu)的柔性動力學模型；

二自由度鉸接車體車輛采用無人操控的方式可應用于危險環(huán)境、提高生產(chǎn)效率，有著廣闊的應用前景。本文采用了多剛體運動學方法建立了鉸接式工程車輛的運動誤差動力學模型，用于研究車輛的路徑偏移控制。在設(shè)計控制算法時，考慮了控制輸入的飽和問題，通過反步法（backstepping）設(shè)計了車輛路徑偏移控制時的抗飽和控制算法，通過仿真分析和實驗驗證了抗飽和控制算法的有效性。

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參考文獻（略）

本文編號：196234