最优跟踪车载式自行火炮多桥动态转向系统_李炎亮

第36卷 增刊22006年9月

吉林大学学报(工学版)

JournalofJilinUniversity(EngineeringandTechnologyEdition)

Supplement2 Sept.2006

文章编号:1671-5497(2006)Supp.l2-0036-05

最优跟踪车载式自行火炮多桥动态转向系统

李炎亮,高秀华,李占江,杨 旭

1

1

2

1

(1.吉林大学机械科学与工程学院,长春130022;2.吉林大学通信工程学院,长春130022)

摘 要:建立了包含车身侧倾特性的车载式火炮多桥转向三自由度模型动力学方程普适公式,并构造了用于重构车辆状态的降维观测器,设计了基于最优跟踪控制策略的车辆转向控制器。分析结果表明,能够通过控制车辆后轮转向角来减小汽车瞬时出现的过多转向或不足转向,增强了汽车的动态转向稳定性。所构造的降维观测器也能使反映车辆操纵性能的车辆状态量

估计值与实际值一致。

关键词:车辆工程;车载式自行火炮;多桥转向;最优跟踪中图分类号:TJ818 文献标识码:A

Optimaltrackingmult-iaxledynamicsteeringsystemoftruck-howitzer

LiYan-liang,GaoXiu-hua,LiZhan-jiang,Yang-Xu

Engineering,JilinUniversity,Changchun130022,China)

1

1

2

1

(1.CollegeofMechanicalScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130022,China;2.CollegeofCommunication

Abstract:Dynamicequationsofa3degree-o-ffreedommodelforthemult-iaxlesteeringsystemofthetruck-howitzerincludingthevehiclebodyside-swaycharacteristicwasderived,adimensionreductionobserverforrebuildingthevehiclestatewasconstructed,andavehiclesteeringcontrollerbasedontheoptimaltrackingstrategywasdesigned.Theanalysisresultsshowedthattheinstantaneousoversteeringorundersteeringofthevehiclecanbereducedbythecontroloftherear-wheelsteeringangletoenhancethedynamicsteeringstability.Theconstructeddimensionreductionobservercanestimatethevehiclestateparametersdepictingitssteeringperformanceingoodagreementwiththeactualones.

Keywords:vehicleengineering;truck-howitzer;mult-iaxlesteering;optimaltracking 车载式自行火炮上的三桥或四桥卡车底盘多采用非独立油气悬架

[1]

多桥转向系统的运动情况。文献[3]关于车辆侧倾和侧向运动的耦合研究表明,若簧上质心到侧倾轴距离很大,特别是悬架刚度较小时,耦合是比较严重的,侧倾的影响不能忽略,该情况下应用3DOF动力学模型能获得与实际情况一致的结果。反之,可以采用2DOF动力学模型,也能取得良好的效果。车载式自行火炮由于炮身的安装位置决定了其簧上质心位置较高,因此必须考虑侧

。由于车身长,簧上质量

[2]

重心高,其行驶姿态变化较大,特别是当路况恶劣时容易发生事故,车辆的行驶安全性较低

。用

于汽车转向研究的横向动力学模型通常有考虑横摆和侧向运动的二自由度方程(2DOF)以及考虑横摆、侧向运动、侧倾运动的三自由度方程(3DOF)两种模型。3DOF模型更全面地反应了

收稿日期:2006-04-18.

基金项目:国防军工项目(CNK-B04018);吉林大学创新基金资助项目(2004CX021).

作者简介:李炎亮(1976-),男,博士研究生.研究方向:特种车辆智能控制.E-mai:lliyanliang@http://www.77cn.com.cn

(@

增刊2李炎亮,等:最优跟踪车载式自行火炮多桥动态转向系统

#37#

倾运动的影响。为此,作者建立了车载式自行火炮多桥转向系统三自由度模型,并提出一种实时最优控制策略,通过动态修正车辆后桥的转角来改善车辆的行驶安全性能。

偏力;K<i、C<i、Ei分别为第i轴悬挂的侧倾刚度、侧倾阻尼系数、侧倾转向系数。

根据汽车理论,参考文献[3-8]可建立多桥转向车辆的普遍公式如下:

#

1 多桥车辆转向运动三自由度模型

建立系统三自由度模型,如图1所示。其运动坐标定义如下:x轴位于汽车的纵向对称平面

内,指向汽车的前进方向;y轴指向汽车的右侧;z

轴指向汽车的下方。

-1u

n

Iz0Ixz0

0Mu-Msuh0

--

Ixz-MshIx0

00

Xr

###

B+Pn

E

kil2i

n

i=1

E

n

kili

i=1

E

kiliEi

i=1

1

Mu-u

Ekl

i=1

ii

Ek

i=1

n

i

n

EkE

i

i=1

<i

n

i

-Msuh0

00

n

EC

i=1

EK

i=1

n

<i

-Ms0

-1

图1 线性三自由度汽车模型Fig.1 Linear3-DOFvehiclemodel

rBP

=

--

EklD

iii

i=1n

为简化系统模型,特作如下假设:车辆关于x-z平面对称;整车质量分为两部分:悬挂质量和非悬挂质量;汽车的侧倾轴近似固定不变;忽略各种空气阻力、轮胎滚动阻力及非悬挂质量的侧倾效应;轮胎保持与地面接触,各轮胎所接触的路面条件相同,左右轮胎具有相同的侧偏特性(即不考虑质量的重新分布对轮胎的影响)。

文中参数定义如下:M为车辆质量;Ms为车辆的悬挂质量;Ix为汽车悬挂质量绕侧倾轴的转动惯量;Ixc为悬挂质量绕x轴的转动惯量;hz为汽车绕重心的横摆转动惯量;Ixz为汽车悬挂质量绕侧倾轴与横摆轴的惯性积;hs为悬挂质量质心离侧倾轴的距离;V为车辆行驶速度;li为第i轴到车身质心的距离,规定车辆行驶方向为正;Di为第i轴车轮的转向角;ki为i轴车轮的综合侧偏刚度;Lij为车辆第i轴与第j轴的间距;Li为第i轴到转向中心线的距离;u、v分别为质心速度V在x、y轴的分量;N是轮胎速度方向与x轴的夹角;7为汽车航向角;<为汽车悬架上质量与悬架下质量的相对侧倾角,即汽车绕x轴的侧倾角;U为汽车重心与地面绝对坐标系x轴的夹角;Xr为车辆绕z轴的角速度,即汽车的横摆角速度,Xr=

#

EkD

i=1

ii

(1)

若取为三桥(即n=3),则式(1)可写为:

#

Iz0Ixz0

1-u

0Mu-Msuh0

2ii

Ixz-MshIx0

00

Xr

#

B+#P

#

Ekl

i=1

ni=1

n

--

E

n

kili

i=1

E

n

kiliEi

i=1

1

Mu-u

Ekl

ii

Ek

i=1

n

i

n

EkE

i=1

i

<i

n

i

-Msuh0

00

EC

i=1

EK

i=1

n

<i

-Ms0

-1

Xr=P-k1l1-k100

-k2l2-k200

-k3l3-k300

u1(u2(t)(2)u3(上式可以记作:

#

7;P为侧倾角速度,P=<;B为质心处车辆的侧

,y、Fy#

PX+QX=Ru(t)(3)

#38#

Iz

P=

0Ixz0

1-u

吉林大学学报(工学版)

0Mu-Msuh0

--

第36卷

Ixz

-MshIx0

00

各桥实际转角v(v是一个向量,其维数即为转角传感器的个数,也是系统的输入),经过车辆系统后,输出横摆角速度信号y,y经观测器变换为全维的状态变量,然后利用状态最优控制器K反馈,计算出其他各桥的理论最佳侧偏角,驱动后桥

kiliEi

Q=

E

n

kl

n

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