基于动量飞轮和主动转向双系统的拖拉机侧翻失稳机理及主动回稳控制研究

Active control is the essential way to solve the severe problem induced by tractor rollovers which frequently happen along with agricultural mechanization. Targeting at the agricultural wheeled tractors working under complicated road environment such as hilly and mountainous area, this project aims to study the active rollover control method based on the single-axis attitude control momentum flywheel system and the active steering system, to actively control the attitude of an unstable tractor and avoid rollover accident in emergency cases. In this project, the parametric and structural variables of the vehicle dynamic system and its subsystems are studied during the transitions among tractor states under road stimulation. The time-varying structural nonlinear dynamic tractor system is to be formulated with parameter estimation and system identification investigated. By exploring the phased tractor stability mutation mechanism, the comprehensive evaluation method for tractor lateral stability against rollover is proposed. Employing the nonlinear control theory, the optimized coordinated stability control strategy for a wheeled tractor is studied adopting the momentum flywheel technology and the vehicle active steering technology. The simulation system and the experimental platform for tractor active rollover control are further developed to conduct simulation study and practical tractor tests for validation of the active control system. This project is expected to break through the technical bottleneck of tractor active safety by providing novel approach, theoretical basis and technical support.

拖拉机侧翻事故是农业生产中严峻的安全问题之一，主动控制技术的应用是解决这类问题的有效途径。本项目针对在丘陵山区复杂路况环境下作业的拖拉机行驶安全性问题，开展基于单轴姿态控制动量飞轮系统和主动转向系统的主动侧翻回稳控制研究，实现对失稳态拖拉机的姿态主动控制，避免危险工况下侧翻事故的发生。项目将研究复杂路况激扰下拖拉机由稳态向失稳态和极限态过渡历程中整机动力学系统与各子动力学系统的参数及结构变化规律，建立时变结构非线性动力学系统并研究其参数估计和系统辨识方法；探索拖拉机稳定性的阶段性突变机理，提出基于多参数的综合侧向稳定性分级评价方法；结合非线性控制理论，研究利用动量飞轮和车辆主动转向行为进行整机姿态调整的最优协调控制策略；建立整机主动侧翻回稳控制试验系统，开展仿真和实车试验研究。本项目旨在突破拖拉机主动安全技术瓶颈，为其发展寻求新方法，提供理论基础和技术支撑。

拖拉机侧翻事故是农业生产中严峻的安全问题之一，具有致死率高、危害大、预防难等特点。针对此问题，当前研究主要集中于以ROPS为典型代表的被动防护方面，但侧翻问题本身尚未得到根本性解决。本项目从主动安全角度出发，利用飞轮-电机系统加速旋转时电机转子与定子产生的非接触力矩和拖拉机坡下侧行驶时整机侧倾能量与俯仰能量的转换关系，开展了基于单轴姿态控制动量飞轮系统和主动转向系统的主动侧翻回稳控制研究，实现了对失稳态拖拉机的姿态主动控制，避免危险工况下侧翻事故的发生。本项目针对复杂路况环境下作业的轮式拖拉机行驶安全性问题，基于整机姿态变化对侧翻过程进行了等级划分，建立了时变姿态全时侧翻动力学模型和基于侧翻历程中整机能量流转规律的评价指标ET（Energy Translate）和机体极限稳定姿态的评价指标EP（Extreme Position），并对各级失稳域边界条件进行了界定。结合非线性控制理论，利用动量飞轮和车辆主动转向行为设计了整机姿态调整的最优控制策略。设计并搭建了1:16比例模型拖拉机和多类、多级路面实验平台，并在12马力小型轮式拖拉机上通过搭载主动转向系统，构建了遥控启停式拖拉机主动侧翻回稳控制实车实验平台。模型实验结果表明，不同工况下的仿真结果与实验数据的相关系数均高于0.7，说明全时侧翻动力学模型能较准确地对拖拉机行驶和侧翻历程进行数学描述，基于主动转向和姿控飞轮的主动防侧翻系统均可防止整机侧翻事故发生，且其联合控制具有效率高、可靠性强、安全性高等优点。同时，实车实验结果表明，对于采用主动转向控制的拖拉机，整机最大侧倾角较无控制组平均减小15.94%，安全行驶范围较无控制组得以拓宽，主动干预措施效果显著。本项目的研究结果可为揭示拖拉机侧翻失稳机理，优化拖拉机侧向稳定性评价方法等拖拉机主动安全领域中的核心技术环节提供一定方法论支撑。