[發明專利]基于主動轉向控制的輪式拖拉機主動防側翻控制方法與系統

有效

• 申請號: 201910409550.1
• 申請日: 2019-05-17
• 公開（公告）號: CN110126915B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 李臻;秦嘉浩;武仲斌;朱忠祥;王國業;杜岳峰
• 申請（專利權）人: 中國農業大學
• 主分類號: B62D6/00
• 分類號: B62D6/00;B60R21/013;B60R21/00;B60R21/13;B60R16/023;B62D137/00
• 代理公司: 北京中安信知識產權代理事務所(普通合伙) 11248
• 代理人: 徐林

1.一種利用基于主動轉向控制的輪式拖拉機主動防側翻控制系統的輪式拖拉機主動防側翻控制方法，其中，

基于主動轉向控制的輪式拖拉機主動防側翻控制系統，包括傾角傳感器(1)、角速度傳感器(2)、中央控制單元(3)、步進電機(4)和橫擺角傳感器(5)；其中，

傾角傳感器(1)、角速度傳感器(2)和中央控制單元(3)布置在拖拉機底盤后部下側縱向軸線位置；

橫擺角傳感器(5)布置在拖拉機底盤前部縱向軸線位置；

步進電機(4)布置在拖拉機方向盤底部；

傾角傳感器(1)、角速度傳感器(2)和橫擺角傳感器(5)共同采集拖拉機行進過程中的運動參數，包括拖拉機整機實時狀態側傾角、拖拉機整機側傾角速度和整機橫擺角；

中央控制單元(3)分別和傾角傳感器(1)、角速度傳感器(2)和橫擺角傳感器(5)相連，用于根據采集的拖拉機側傾失穩狀態信號，判斷拖拉機側翻趨勢，計算該側翻工況下所需主動轉向的主動轉向角大小，并根據計算結果控制步進電機(4)工作，帶動方向管柱內軸旋轉，配合拖拉機液壓助力轉向系統實現拖拉機的主動轉向與回穩控制；

其特征在于：所述方法包括以下步驟：

當拖拉機整機系統處于有側翻趨勢的狀態時：

步驟A1：布置在拖拉機底盤后部下側縱向軸線位置的傾角傳感器(1)、角速度傳感器(2)以及布置在拖拉機底盤前部縱向軸線位置的橫擺角傳感器(5)分別采集到拖拉機行進過程中的拖拉機整機實時狀態側傾角、拖拉機整機側傾角加速度和拖拉機整機橫擺角，并將所述拖拉機整機實時狀態側傾角、拖拉機整機側傾角加速度和拖拉機整機橫擺角輸入到中央控制單元(3)；

步驟A2：中央控制單元(3)接收傾角傳感器(1)、角速度傳感器(2)以及橫擺角傳感器(5)的輸入信號，即拖拉機整機實時狀態側傾角、拖拉機整機側傾角加速度和拖拉機整機橫擺角，并利用擴展卡爾曼濾波算法對所述傳感器輸入信號進行濾波降噪處理；

步驟A3：中央控制單元(3)根據基于能量法的拖拉機側翻評價指標i_E計算評價拖拉機側翻趨勢；基于能量法的拖拉機側翻評價指標i_E的計算公式為：

式中，拖拉機側翻評價指標i_E的取值范圍為[0，+∞)，其中，0表示拖拉機處于絕對穩定狀態；E_k為拖拉機側翻動能；E_p為拖拉機重力勢能；

拖拉機側翻動能E_k由公式3確定：

式中，為拖拉機整機實時狀態側傾角，單位是rad，由傾角傳感器(1)實時獲取；J_x為拖拉機轉動慣量，單位是kg·m²，其中J_x根據不同型號拖拉機自身參數獲得；

拖拉機重力勢能E_p由公式4確定：

式中，M為拖拉機整機質量，單位是kg；g為重力加速度，g＝9.8m/s²；j_r為拖拉機質心到后輪中心的距離，單位是m；H_r是拖拉機整機質心距離地面的高度，單位是m；為拖拉機整機實時狀態側傾角，單位是rad；其中M、j_r、H_r根據不同型號拖拉機自身參數獲得；由傾角傳感器(1)實時獲取；

其中，當i_E1時，拖拉機整機系統處于穩定狀態，進行步驟B2；當i_E≥1時，拖拉機整機系統處于有側翻趨勢的狀態，進行步驟A4；

步驟A4：根據轉向角推算公式計算主動轉向角δ；

轉向角推算公式為：

式中，

δ為主動轉向角，單位是rad；

L_f、L_r分別為前軸距和后軸距，單位是m；

Ψ為拖拉機整機橫擺角，單位是rad；其中，Ψ由橫擺角傳感器(5)實時獲??；

a_y為拖拉機整機側傾角加速度，單位是rad/s；其中，a_y由角速度傳感器(2)獲取的角速度求導得到；

V_x為拖拉機前進速度，單位是m/s；

J_x為拖拉機轉動慣量，單位是kg·m²，其中J_x根據不同型號拖拉機自身參數獲得；

為拖拉機側傾角，單位是rad，由傾角傳感器(1)實時獲?。?/p>

M為拖拉機整機質量，單位是kg；

g為重力加速度，g＝9.8m/s²；

k_f、k_r分別為前后輪側偏剛度系數；

j_r為拖拉機質心到后輪中心的距離，單位是m；

H_r是拖拉機整機質心距離地面的高度，單位是m；

w_r是后輪距，單位是m；

步驟A5：中央控制單元(3)根據步驟A4中得到的計算結果控制步進電機(4)轉動，通過鏈傳動帶動方向管柱及方向盤做出大小為步驟A4中轉向角推算公式中的主動轉向角δ，且與側翻方向相同的轉向，從而實現主動轉向，以達到防止側翻的目標；

當拖拉機整機系統處于穩定狀態時：

步驟B1：拖拉機整機系統回穩后，中央控制單元(3)控制步進電機(4)反向回轉步驟A4中得到的主動轉向角δ，達到回穩直行的目的；

步驟B2：傾角傳感器(1)、角速度傳感器(2)及橫擺角傳感器(5)實時監測拖拉機姿態，防止下一次整機側翻趨勢的發生。

2.如權利要求1所述的基于主動轉向控制的輪式拖拉機主動防側翻控制系統的輪式拖拉機主動防側翻控制方法，其特征在于：步進電機(4)布置在拖拉機方向盤底部的方向管柱一側，步進電機(4)的動力輸出軸通過鏈傳動連接步進電機動力輸出軸與方向盤方向管柱內軸。