多作动器协同的特种车辆行车调平控制方法_张聪.pdf

第 卷第 期 年 月兵工学报 ：多作动器协同的特种车辆行车调平控制方法张聪，刘爽，姜思远，刘世纪（燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛；河北省工业计算机控制工程重点实验室，燕山 大学，河北 秦皇岛）摘要：针对国防军事、应急救援等国计民生重要领域中特种车辆行车调平的需求，基于多智能体一致性协同控制相关理论，提出多作动器协同的行车调平方法。将整车垂向模型分解为由作动器驱动的带有相互耦合特性的多智能体悬架节点，建立悬架节点动力学模型。构建基于悬架动行程的趋势引导动态基准和基准误差，摆脱现有调平方法对车身质心铅垂高的依赖，提出基于动态基准误差的多作动器协同行车调平方法。基于汽车系统仿真软件 验证所提方法的有效性。研究结果表明，与整车型调平方法对比，所提方法更好地实现行车调平，调平精度提高了 到 个数量级；研究结果有助于进一步丰富和完善主动悬架控制技术体系，为解决特种车辆行车调平问题提供了全新思路和具体方法。关键词：特种装备车辆；行车调平；主动悬架；多作动器；协同控制 中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：河北省自然科学基金项目（）；国家自然科学基金项目（）；中央引导地方科技发展资金项目（基础研究项目）（）；国家自然科学基金重点项目（）、省级重点实验室绩效补助经费项目（），（，；，）：，第 期多作动器协同的特种车辆行车调平控制方法 ，：；引言特种装备车辆需要具备在行驶中调平车身姿态的能力，为车载专用装置正常运行提供平稳的支撑条件。当前普遍采用的支腿式驻车调平方式无法满足特种车辆行车调平的使用需求。例如，防空作战领域的新宠 激光武器作战车，在追击无人机等目标时需要保持车身水平，便于车载高能激光武器将激光光束锁定目标某一点持续照射，实现能量攻击。又如，千吨级的大火箭活动发射平台，在将长征五号等大型运载火箭垂直转运至发射区的过程中，需要时刻保持水平，以确保运载火箭绝对安全。再如，举高消防机器人，跟随火势实施机动举高喷水作业时，需要底盘始终保持水平，防止高举臂架的机器人发生倾倒。还有，高地隙喷雾机，在山坡作业时需要实时保持车身水平，既防止侧翻，又避免对农作物造成损伤。可见，特种车辆的行车调平技术是国防军事、航天发射、应急救援、农业生产等关系国计民生重要领域的共同需求。通过对悬架系统施加主动控制实现特种车辆的行车调平是最为直接和有效的方法。年美国 公司 在悬架设计中首先提出了主动悬架的概念。主动悬架通过作动器产生主动控制力，可以在较大带宽范围内等效任意刚度和阻尼特性，作动器伸缩完全可控，使得车身位置和姿态完全可控，是用作特种车辆行车调平执行机构的不二之选。通用车辆的主动悬架控制技术已经发展多年，并已逐步趋于成熟，主要是利用其等效任意刚度和阻尼特性的特点，提升车辆的驾乘舒适性 和操控稳定性。如果考虑节能因素，可变阻尼的半主动悬架控制技术 则更加符合通用车辆的使用需求。然而，与通用车辆主动悬架控制专注于行驶过程中的舒适平稳极为不同，特种车辆行车调平更为注重行驶过程中车身姿态的保持。显然，作动器伸缩完全可控的特性使得主动悬架更加适合用于解决特种车辆的行车调平问题。现有主动悬架行车调平方法，普遍基于整车垂向动 力 学 模 型，结 合 各 种 先 进 的 控 制 理论 解决行车调平中的各种问题。文献基于双环自抗扰解耦技术和分数阶 力跟踪控制器，实现车身位姿的稳定控制，解决行车调平中通道耦合及作动器抗扰伺服控制问题。文献提出基于位移控制的主动悬架系统控制策略，实现高机动性应急救援车辆的位姿稳定控制，避免以力为被控量的液压伺服控制易在冲击作用下发生突变的问题。文献考虑主动悬架具有硬约束的情况，提出一种自适应反推控制策略，使车身的垂向和俯仰运动在预定时间内保持恒定，进而提高乘坐舒适性。文献提出加入悬架挠度积分作用的最优控制器，得到各个作动器的期望控制力，同时调控车身位姿保持恒定，很好地抑制了转弯和制动过程中的车身姿态变化，而且在行驶舒适性和道路友好性方面都有很好的表现。文献研制了一种新型的并联主动杆悬架，设计鲁棒控制方案，在最小化俯仰角和侧倾角的同时，提高了车辆的驾乘舒适性和操控稳定性。文献研究了事件触发 主动悬架控制方法，实现车身位姿稳定控制。整体而言，上述行车调平控制方法的研究思路都是基于整车垂向动力学模型，设计以调控车身俯仰角、侧倾角和身质心铅垂高（车身质心空间绝对垂向位移）为目的控制器。参考文献，给出 自由度整车模型示意如图 所示，在原有被动悬架基础上，对应车轮增加 路独立作动器施加主动控制力，、，、，和，和 分别表示车身俯仰角和侧倾角，和 分别表示前轴、后轴到质心的距离，和 分别表示车轴左侧和右侧到质心的垂直距离，一般情况 轴长。归纳以上参考文献中的整车建模过程，可将 自由度整车垂向动力学模型抽象为如式（）所示的状态空间方程形式：（）式中：，为被控状态，、和 分别为车身质心铅垂高、俯仰角和侧倾角；，兵 工 学 报第 卷图 自由度整车模型示意图 ，表示控制输入，为与 个车轮相对应的作动 器 的 直 接 输 出 力；为 控 制 增 益，|，表示簧载质量，表示俯仰转动惯量，表示侧倾转动惯量；，表示控制力以外的合力，包括弹性力、阻尼力、重力和通道间耦合力等。在模型精确，且不考虑垂向动力学与纵向及侧向通道间耦合情况，参考文献，归纳当前整车型行车调平控制算法的基本形式如式（）所示：（）（）式中：表示 的右逆矩阵，（），左乘 实现静态解耦合及作动力的分配；通过 实现动态解耦合；，和 表示待选取的控制参数，。将式（）代入式（），可得到闭环系统状态方程为 ，这是一个典型的 阶线性系统，通过合理整定 和 即可保证系统稳定，并且得到预期控制效果。此类方法存在以下两方面的问题：）模型形式不利于控制器的设计和实现。其一，模型式（）为四入三出的超静定形式，由于系统输入数量大于被控状态的数量，在算法式（）执行过程中，需要求解 的右逆矩阵，十分麻烦。其二，直接以 ，为被控状态，需要对位移和姿台的混合调控，参数整定相对困难。）将车身质心铅垂高 作为被控量，算法式（）必须假设其可精确测量。然而，生产实际中无法通过外部标定等方式对车辆的空间坐标进行测量，车身铅垂高无法精准获取。因此，对车身质心铅垂高的依赖是制约行车调平实现的突出技术瓶颈。鉴于此，本文在磁浮列车悬架系统多点协作和多无人机协作搬运等实例的启发下，基于多智能体一致性协同控制思想，提出多作动器协同控制的新思路，进而给出切实可行的特种车辆的行车调平新方法。本文的主要贡献为：）针对问题，将整车垂向模型分解为由作动器驱动的带有相互耦合特性的多智能体悬架节点，建立悬架节点动力学模型。将基于超静定整车垂向动力学模型的位姿混合控制问题，转换为基于全驱型悬架节点动力学模型的单纯位移控制问题。）针对问题，构建基于悬架动行程的趋势引导动态基准和基准误差，摆脱调平算法对车身质心铅垂高的依赖。）提出基于动态基准误差的多作动器协同行车调平方法，实现特种车辆的行车调平，提升调平精度。需要指出，本文提出的多作动器协同方法，专指悬架节点之间的协作行为。这与现有研究中悬架系统与转向系统、制动系统、车身稳定系统等的协调设计，以及将转向、制动、发动机等系统划分为多个智能体 进行协调设计的思想和方法均不相同。系统建模本文特种车辆的主动悬架系统如图 所示，其采用液压作动器直接代替弹簧阻尼被动悬架系统，通过控制液压顶杆伸缩，可使车身位置和姿态完全可控。区别于传统四轮车辆直接以簧载部分位姿的 个变量及非簧载部分垂向位移的 个变量为系统状态的 自由度整车动力学模型的建立方式，本文按照车轮数量将整车划分为相对独立的悬架节点（，），将悬架节点簧载部分及非簧载部分的垂向位移作为系统状态，建立系统模型；建模时又区别于传统多智能体节点间相互独立的情况，需要考虑悬架节点间固有的耦合作用。悬架节点 的动力学模型，如式（）所示：，（）第 期多作动器协同的特种车辆行车调平控制方法图 独立驱动的液压主动悬架系统示意图 式中：下标 ，依次表示左前、左后、右前和右后 个悬架节点；针对悬架节点，表示簧载部分的垂向位移；，表示等效簧载质量；，表示等效非簧载质量；，表示等效重力，为重力加速度；，（，）表示作动器等效阻尼力，表示作动器等效阻尼系数；，（，）（，），（，）和（，）分别表示轮胎等效弹性力和阻尼力，和 分别表示轮胎等效刚度和等效阻尼系数，表示非簧载部分的垂向位移，表示所受路面激励的垂向幅值；，表示节点间的耦合力，主要体现为作动器合力间耦合、重力耦合及角动态耦合。多作动器协同控制方法设计.设计思路在特种车辆行驶中，如果所有悬架节点簧载部分的铅垂高能够时刻保持一致，并跟踪同一基准，就能实现行车调平，这即是多作动器协同实现行车调平的基本思想。悬架节点动力学模型式（）的建立为系统特性分析和调平方法设计奠定了基础。同时也反映出多作动器协同行车调平控制与多智能体一致性协同控制的区别。多智能体协同一致性一般研究的是相互独立个体之间的协同控制问题，因此，其侧重于解析不同信息传递机制与控制之间的相互作用规律。多作动器协同行车调平控制研究的是固连于车身的悬架节点间的协同控制问题，悬架节点间必然存在耦合作用，在悬架节点动力学模型式（）中表现为耦合项，。另外，由于车辆具备完善的总线信息交互机制，在行车调平控制时，可选用全部悬架节点间两两连通的连通性最强的拓扑进行多作动器协同算法设计。因此，多作动器协同行车调平控制研究更需要关注的是处理好各个悬架节点间之间的受力耦合。悬架节点之间存在的耦合作用是悬架节点系统与多智能体系统之间的本质区别。只要解除耦合，便可将多智能体一致性协同控制的相关理论移植到行车调平的方法设计中。.动态基准误差构建不依赖车身质心铅垂高的动态基准误差是实现行车调平协同控制的前提。与整车型行车调平方法中将基准状态设为常值的做法不同，本文基于各个作动器的动行程设计实时动态调整的趋势引导动态基准及基准误差。首先，构建动态基准如式（）所示：（），(（），（），)（）（）式中：下角标 表示导数阶次，；表示作动器压缩的悬架节点数量之和；表示作动器伸展的悬架节点数量之和；表示所有作动器压缩悬架节点的集合；表示所有作动器伸展悬架节点的集合；（）为一常数，表示预设行程中位偏移量，用以根据路面情况调解作动器上下行程范围。其表示相对于车辆静止时各个作动器的平衡中位，所有压缩作动器对应的非簧载部分运动状态的平均值与所有伸展作动器对应的非簧载部分运动状态的平均值之和再除以。特别地，全部作动器处于压缩状态时 、，全部作动器处于伸展状态时 、，表示悬架节点总数量，。此时，动态基准通过式（）进行计算（），（），（）（）图 作动器压缩伸展示意图 作动器的压缩伸展如图 所示。式（）和式（）表征了全部作动器的整体运动趋势，称为基兵 工 学 报第 卷于动行程的趋势引导动态基准，其可确保动态基准不会超出行程范围。动态基准的上下边界由式（）限定，上下界分别为作动器的压缩极限和伸展极限。当作动器全部完全压缩，得到动态基准上限；当作动器全部伸展时，得到动态基准下限。其他情况时，动态基准将介于悬架行程范围内。其次，构建动态基准误差。式（）和式（）需要根据非簧载部分的空间垂向运动状态计算得到，这在实际中无法实现。幸运的是，本文算法并不需要直接计算动态基准式（）和式（），真正需要计算的是悬架节点 簧载部分的运动状态与动态基准之间的差值，即，和，如式（）所示：（），（），（），(（），（），)（）（）将式（）代入式（）中，并利用（），（），（），进行变量替换，使得式（）可以算出结果，如式（）所示：（），（），（），(（），（），)（）(（），（），（），（），（），)（）(（），（），（），)（）（）式中：（），表示（），与所有作动器在压缩状态的悬架节点簧上状态的相对平均差；（），表示（），与所有作动器在伸展状态的悬架节点簧上状态的相对平均差；（），表示所有作动器动态行程或其变化率的平均值。特别地，全部作动器处于压缩状态时 、，全部作动器处于伸展状态时 、。此时，悬架节点 簧载部分的垂向状态与动态基准状态之间差值的需要通过