井下无轨胶轮车主动转向控制方案

赵献臣

(中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院)

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井下无轨胶轮车主动转向控制方案

赵献臣

(中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院)

为了解决井下无轨胶轮车转向系统转向沉重、稳定性差、能耗高等问题，引入线控主动转向系统，基于CarSim软件建立线控转向整车动力学模型，采用横摆角速度反馈控制方案，在Simulink软件中搭建控制框图。对线控主动转向系统分别进行对开路面和双移线仿真分析，并与传统转向系统进行对比分析，结果表明，线控主动转向系统可显著改善无轨胶轮车的转向特性。

井下无轨胶轮车 线控转向 主动转向 CarSim Simulink

井下无轨胶轮车作为煤矿辅助运输的重要组成部分，具有使用范围广、机动灵活、适应性强、安全可靠以及可完成直达运输等优点，极大提高了煤矿生产运输的效率，是未来井下运输的发展趋势之一[1-3]。传统无轨胶轮车的转向机构根据转向方式的不同可分为偏转车轮转向和铰接式转向2类。该2类转向机构在怠速时，传统转向机构转向沉重，操作不灵活，而高速时，又缺乏稳定性，且随着负载的增加消耗功率的比重越来越高，通常占到全车功耗的7%～14%。线控转向系统通过微电子技术连接并控制转向元件代替传统的机械或液压连接，大大提高了车辆操纵系统的稳定性和灵活性，相对于传统转向系统而言，节能约5%，可有效解决传统无轨胶轮车转向系统所存在的问题[1-3]。

以某厂WXD-45JGJ2型矿用防爆蓄电池无轨胶轮车为例，在CarSim软件中建立整车动力学模型，以横摆角速度为反馈控制目标，实现车辆的稳定性控制；在Simulink软件中搭建线控转向系统，通过S函数接口进行联合仿真并与传统转向系统进行对比分析，结果显示，采用线控系统主动转向控制方案的无轨胶轮车性能更为优越。

1 线控转向动力学模型

线控转向系统由方向盘总成、转向执行机构总成、主控制器、自动防故障系统、电源等组成。根据线控系统的基本组成，对WXD-45JGJ2型无轨胶轮车原有机械转向系统进行改造，增加转向器驱动电机和方向盘路感电机以及主控制器等硬件设备。分别对整车动力学、方向盘总成、转向执行机构总成等3个部分进行建模。

1.1 CarSim整车动力学模型

CarSim软件的内置模型在计算机上运行速度比实时速度快3～6倍，可以仿真车辆对驾驶员、路况及空气动力学输入的响应，主要用来预测和仿真汽车整车的操纵稳定性、动力性、平顺性、制动性和经济性[1]。根据WXD-45JGJ2型无轨胶轮车车型特点，在CarSim软件中选用D-Class型车辆为参考进行建模。建模过程中，车辆空气动力学参数采用默认设置，驱动系采用四轮驱动，制动系采用ABS制动，轮胎模型采用CarSim软件的内置轮胎模型，型号为255/65R16。车辆的主要参数见表1。

表1 整车模型主要参数

1.2 方向盘系统总成动力学模型

方向盘系统总成主要包括方向盘、转向柱、路感电机、减速器转角传感器和转矩传感器[2]。根据其结构特点建立了简单动力学模型见图1。

图1 方向盘系统总成

1.3 转向执行总成动力学模型

转向执行机构系统总成包括执行电机，减速器，转向器以及位移传感器。根据其结构特点建立了简单动力学模型见图2。

图2 转向执行系统总成

2 线控系统主动控制方案

2.1 横摆角速度反馈控制方案

以车辆的横摆角速度为控制目标，首先将方向盘转角及车速输入车辆线性二自由度参考模型中得到期望横摆角速度，此期望横摆角速度受地面附着系数以及车速限制；然后主控制器通过横摆角速度传感器得到车辆实际的横摆角速度值，对期望和实际的横摆角速度差进行PID控制，降低实际横摆角速度在转向过程中的波动，使其尽快趋于期望值；最后得到所需的附加转向角并通过执行电机输出[2]，控制方案见图3。

图3 横摆角速度控制方案

2.2 基于Simulink软件搭建控制方案

由图3可知，在横摆角速度反馈控制方案中实际车辆的输入端为方向盘转角，该值为驾驶员转向角与经过PID控制器调整之后的补偿角之间的叠加值，输出端为车速和横摆角速度，现采用Simulink软件搭建控制方案。首先，建立理想横摆角速度参考模型，根据理想横摆角速度公式以及在路面附着系数一定时车辆所能达到的最大横摆角速度，可知在车速和方向盘转角已知的情况下能够推算出理想横摆角速度，在Simulink软件中搭建的参考模型如图4所示。然后，将该参考模型进行封装，根据图3所示的方案，在Simulink软件中搭建完成线控系统主动转向控制方案如图5所示。

3 仿真分析

3.1 对开路面仿真试验

设定车速为80 km/h，道路为平坦直线公路，右侧路面附着系数为0.5，左侧模仿井下矸石路面附着系数为0.2，驾驶员在进入对开路面后2 s紧急刹车，刹车时间间隔为1 s，驾驶员输入方向盘转角为0°，仿真结果如图6所示。

由图6(a)、图6(b)可知，在驾驶员紧急制动后，胶轮车横摆角速度出现波动，控制器迅速做出反应，通过转向执行电机控制系统输出前轮转角，及时矫正失稳车辆，使其继续平稳行驶。由图6(b)、图6(c)可知，未安装线控主动转向控制器的车辆横摆角速度和质心侧偏角已远超正常值，车辆严重失稳，有侧翻风险。因此，线控主动控制器可有效提高车辆的稳定性。

图4 理想横摆角速度参考模型

图5 Simulink软件中主动转向系统结构

图6 对开路仿真结果

3.2 双移线仿真试验

设定车速为50 km/h，路面附着系数为0.85，该工况是为了检验胶轮车在井下紧急避障的能力，设定路径如图7所示，仿真结果如图8所示。

图7 设定路径

图8 双移线仿真结果

由图8(a)可知，线控转向系统与传统机械转向车辆均完成了双移线试验，但线控转向胶轮车轨迹偏差较小，更加稳定。由图8(b)可知，在达到同样转向特性的前提下，线控主动转向胶轮车的方向盘输入转角较小，在很大程度上降低了驾驶员负担。由图8(c)可知，线控转向胶轮车横摆角速度变化幅度较小，显著提高了车辆操纵的稳定性。

4 结 语

针对井下无轨胶轮车转向系统所存在的问题，对无轨胶轮车主动转向控制方案进行了仿真研究。结果表明，线控主动转向系统显著增强了无轨胶轮车的稳定性、安全性、灵活性，同时也降低整车能耗，具有较好的市场前景。

[1] 肖 闯，黄 江，易 高.基于CARSIM的车辆稳定性控制仿真[J].专用汽车，2007(6)：36-38.

[2] 余志生.汽车理论[M].5版.北京:机械工业出版社，2009.

[3] 于蕾艳，林 逸，施国标.线控转向系统动力学模型的研究[J].计算机仿真，2008(6)：251-253.

Controlling Scheme of Active Steering of Underground Trackless Rubber-tyred Vehicle

Zhao Xianchen

(School of Mechanical Electronic & Information Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing))

In order to solve the problems of steering heavy, poor stability and high energy consumption of the steering system of underground trackless rubber-tyred vehicle, the wire control active steering system is introduced.Based on the CarSim software, the vehicle dynamic model with wire control active steering system is established. The feedback scheme of horizontal pendulum angular velocity is used to construct control block diagram based on Simulink software. The wire control active steering system is simulated by splitter road and double lines experiment, and the simulation results of the wire control active steering system and traditional steering system are contrastive analyzed. The analysis results show that the wire control active steering system is good to improve steering characteristics of underground trackless rubber-tyred vehicle.

Underground trackless rubber-tyred vehicle, Wire control steering, Active steering, CarSim, Simulink

2014-12-29)

赵献臣(1989—)，男，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路丁11号。