2自由度铰接车体车辆路径偏移饱和控制及基于区间法的稳定性分析

The obvious deviation between actual path and ideal path was found when the 2-dof articulated off-road vehicles being tested during continuous conquering off-road obstacles, the difficulty of handling the vehicle and the risk coefficient of the vehicle rollover is greatly increased. Therefore, the D-H method is proposed in this project to developthe car body model and the path deviation model during conquering off-road obstacles is established with simulation of road surface using mathematicalmethod; According to the performances that the vehicle is affected and even led to unstability by actuator saturation, a path deviation correction controller based on path deviation model is designed with considering actuator saturation. For vehicle rollover caused by path deviation during conquering off-road obstacles, the finiteinterval of influencefactor in car body stability is defined using interval method, and dynamic model is developed using the theory of multi-body dynamics, and the lateral-load transfer ratio is combined, and thus, the earlywarningsystem of vehicle rollover is designed finally. The motion of mobile robot and dynamics theory are introduced into the muti-dof articulated off-road vehicles combined with the research results of the stability of articulated vehicle,which expands the research scope of motion of articulated vehicle and dynamics theory and provides theoretical support to the development of high mobility off-road vehicle for military use.

在对地形适应能力较强的具有2自由度铰接车体的越野车辆进行测试时，发现连续越障时其实际路径和理想路径间存在较大偏差，极大地增加了车辆的操控难度及车辆倾翻的风险系数。为此，本项目提出应用D-H法建立车体模型，用数学函数方法模拟路面，形成车辆越障的路径偏移模型；针对系统中存在的由控制饱和所引起的影响车辆性能甚至造成车辆失稳的问题，设计一种考虑控制饱和的基于路径偏移模型的路径偏移校正控制器；对于越障路径偏移造成的车辆倾翻风险，应用区间法设定车体稳定性影响因素有限区间，并运用多刚体动力学理论建立动力学模型，结合横向载荷转移率方法，设计车辆倾翻预警系统。将移动机器人运动及动力学理论引入具有多自由度铰接车体的越野车辆中，并结合铰接式车辆稳定性研究成果，扩大了铰接车辆运动及动力学的研究范围，为军用等高机动性能越野车辆的研制提供理论支撑。

用于野外作业的具有2自由度铰接车体的车辆，为提高其机动性，采用了增加自由度的方法，在增强地形适应性的同时，也使其运动规律更为复杂，对作业效率及安全性产生不可忽视的影响。在试验中发现，车辆的实际行进路线与理想路径之间存在较大偏差，基于此，本项目首先考虑液压转向机构柔性，采用了多刚体动力学方法，建立了车辆越障偏移动力学模型，并进行了稳定性分析，在稳定性分析中采用了横向载荷转移率（LTR）作为车辆动态稳定性的判据，分析了车辆在通过不同的障碍时横向载荷转移率的变化，并通过车辆的越障稳定性实验对仿真分析结果进行了验证；建立了2自由度铰接车体车辆在三维空间下的运动学模型，通过仿真分析和实验证明了车辆在越障时存在很大的运动方向偏移，并且得到了车辆在越障时产生偏移运动的原因，即车辆的前车桥和后车桥之间存在着纵向摆动，由于多数铰接式工程车辆都存在前车桥和后车桥的摆动自由度，所以这一分析结论具有普遍的适用性；考虑实际环境中的诸多不确定因素，并忽略简化条件，将这些不确定量看作区间变量，应用区间方法分析了车辆在直线行驶单侧车轮越障过程中所需的最小驱动力矩以及抗倾覆能力，得到了它们各自的区间。为保证车辆能顺利通过障碍并且不发生倾覆，将驱动力矩上限看作所需最小驱动力矩的理论值，将稳定角下限作为车辆抗倾覆的能力。通过实验证明此种分析方法更贴近实际情况；采用了多刚体运动学方法建立车辆的运动误差动力学模型，用于研究车辆的路径跟踪控制。在设计控制算法时，考虑了控制输入的饱和问题，通过反步法（backstepping）设计了车辆路径跟踪时的抗饱和控制算法，通过仿真分析和实验验证了抗饱和控制算法的有效性。此研究实现了机器人理论与车辆动力学的结合，能够扩展高机动性能越野车辆的应用领域，为越野车辆的改良提供了理论支撑。