基于主动转向控制的轮式拖拉机主动防侧翻控制方法与系统技术方案

本发明专利技术涉及轮式拖拉机主动安全技术领域，尤其涉及基于主动转向控制的轮式拖拉机主动防侧翻控制方法与系统。该系统包括倾角传感器(1)、角速度传感器(2)、中央控制单元(3)、步进电机(4)和横摆角传感器(5)；倾角传感器(1)、角速度传感器(2)和横摆角传感器(5)共同采集拖拉机行进过程中的运动参数，包括拖拉机整机实时状态侧倾角、拖拉机整机侧倾角速度和整机横摆角；中央控制单元(3)根据采集的拖拉机侧倾失稳状态信号，判断拖拉机侧翻趋势，计算该侧翻工况下所需主动转向的主动转向角大小，并根据计算结果控制步进电机(4)工作，带动方向管柱内轴旋转，配合拖拉机液压助力转向系统实现拖拉机的主动转向与回稳控制。

Active rollover control method and system of wheeled tractor based on active steering control

【技术实现步骤摘要】
基于主动转向控制的轮式拖拉机主动防侧翻控制方法与系统
本专利技术涉及轮式拖拉机主动安全
，尤其涉及基于主动转向控制的轮式拖拉机主动防侧翻控制方法与系统。
技术介绍
轮式拖拉机作为农业生产中广泛使用的动力机械，极大地提高了农业生产效率，促进了世界各国农业机械化的发展进程。然而，由于拖拉机工作环境复杂，作业条件较差，不同农艺作业工况对其通过性要求较高导致其具有工作离地间隙高等特点，导致不同环境下的拖拉机致死事故时有发生。此外，统计结果显示，近年来在全球范围内发生的轮式拖拉机致死事故中，侧翻事故占比超过50％，侧翻是导致致死事故发生的罪魁祸首。虽然自上世纪50年代起，拖拉机侧翻问题已受到一定关注，但拖拉机侧翻问题始终未得到根本性解决，由此带来了巨大的人身伤害和经济损失。目前，拖拉机防侧翻方法分为被动安全保护法和主动安全保护法。其中，最常见的被动安全保护法的代表是被动安全装置—侧翻保护装置(ROPS，RolloverProtectiveStructure)。发生侧翻事故时，ROPS通过吸收侧翻过程中产生的动能，并为驾驶员提供安全的容身空间等方式降低了侧翻事故的致死率。然而相关数据表明，世界范围内，尤其是欠发达国家内，仍有8％-10％的拖拉机未安装或未正确安装ROPS，拖拉机作业安全隐患仍然存在。因此ROPS并不能从根本上解决拖拉机侧翻致死问题。另一方面，在主动安全
，部分学者采用前、后轮主动转向控制和后轮驱动力与制动力控制实现了车辆横摆稳定性主动控制，运用横摆力矩补偿法显著减小了侧向力控制器的跟踪误差，从而一定范围内实现了对车辆横摆稳定性的控制。也有学者提出了基于前轮主动转向和横摆力矩集成控制的分层控制策略，采用滑模控制方法，通过控制车轮制动力产生横摆力矩，改善了车辆稳定性。此外，为提高拖拉机在侧向坡地行驶时的稳定性，部分学者对山地拖拉机的稳定性控制器和行走机构进行了研究，该机型可在24.2°的侧向坡地上稳定行驶，但牵引和越野性能欠缺。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于主动转向控制的轮式拖拉机主动防侧翻控制系统，通过基于能量法的稳定性评价指标对轮式拖拉机侧翻趋势进行评价与判断，在侧翻发生时进行主动转向控制，利用主动转向过程中产生的轮胎侧偏力以及重心与侧翻轴位置的改变实现整机的主动回稳与姿态回正，且不需对拖拉机原有结构和配置作较大改变，具有较强的应用价值。本专利技术的另一目的在于提供一种基于主动转向控制的轮式拖拉机主动防侧翻控制方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于主动转向控制的轮式拖拉机主动防侧翻控制系统，所述系统包括倾角传感器1、角速度传感器2、中央控制单元3、步进电机4和横摆角传感器5；其中，倾角传感器1、角速度传感器2和中央控制单元3布置在拖拉机底盘后部下侧纵向轴线位置；横摆角传感器5布置在拖拉机底盘前部纵向轴线位置；步进电机4布置在拖拉机方向盘底部；倾角传感器1、角速度传感器2和横摆角传感器5共同采集拖拉机行进过程中的运动参数，包括拖拉机整机实时状态侧倾角、拖拉机整机侧倾角速度和整机横摆角；中央控制单元3分别和倾角传感器1、角速度传感器2和横摆角传感器5相连，用于根据采集的拖拉机侧倾失稳状态信号，判断拖拉机侧翻趋势，计算该侧翻工况下所需主动转向的主动转向角大小，并根据计算结果控制步进电机4工作，带动方向管柱内轴旋转，配合拖拉机液压助力转向系统实现拖拉机的主动转向与回稳控制。步进电机4布置在拖拉机方向盘底部的方向管柱一侧，步进电机4的动力输出轴通过链传动连接步进电机动力输出轴与方向盘方向管柱内轴。一种利用所述的基于主动转向控制的轮式拖拉机主动防侧翻控制系统的轮式拖拉机主动防侧翻控制方法，所述方法包括以下步骤：当拖拉机整机系统处于有侧翻趋势的状态时：步骤A1：布置在拖拉机底盘后部下侧纵向轴线位置的倾角传感器1、角速度传感器2以及布置在拖拉机底盘前部纵向轴线位置的横摆角传感器5分别采集到拖拉机行进过程中的拖拉机整机实时状态侧倾角、拖拉机整机侧倾角加速度和拖拉机整机横摆角，并将所述拖拉机整机实时状态侧倾角、拖拉机整机侧倾角加速度和拖拉机整机横摆角输入到中央控制单元3；步骤A2：中央控制单元3接收倾角传感器1、角速度传感器2以及横摆角传感器5的输入信号，即拖拉机整机实时状态侧倾角、拖拉机整机侧倾角加速度和拖拉机整机横摆角，并利用扩展卡尔曼滤波算法对所述传感器输入信号进行滤波降噪处理；步骤A3：中央控制单元3根据基于能量法的拖拉机侧翻评价指标iE计算评价拖拉机侧翻趋势；其中，当iE<1时，拖拉机整机系统处于稳定状态，进行步骤B2；当iE≥1时，拖拉机整机系统处于有侧翻趋势的状态，进行步骤A4；步骤A4：根据转向角推算公式计算主动转向角δ；转向角推算公式为：式中，δ为主动转向角，单位是rad；Lf、Lr分别为前轴距和后轴距，单位是m；Ψ为拖拉机整机横摆角，单位是rad；其中，Ψ由横摆角传感器5实时获取；Vx为拖拉机前进速度，单位是m/s；Jx为拖拉机转动惯量，单位是kg·m2，其中Jx根据不同型号拖拉机自身参数获得；为拖拉机侧倾角，单位是rad，由倾角传感器1实时获取；M为拖拉机整机质量，单位是kg；g为重力加速度，g＝9.8m/s2；kf、kr分别为前后轮侧偏刚度系数；jr为拖拉机质心到后轮中心的距离，单位是m；Hr是拖拉机整机质心距离地面的高度，单位是m；Wr是后轮距，单位是m；步骤A5：中央控制单元3根据步骤A4中得到的计算结果控制步进电机4转动，通过链传动带动方向管柱及方向盘做出大小为步骤A4中转向角推算公式中的主动转向角δ，且与侧翻方向相同的转向，从而实现主动转向，以达到防止侧翻的目标；当拖拉机整机系统处于稳定状态时：步骤B1：拖拉机整机系统回稳后，中央控制单元3控制步进电机4反向回转步骤A4中得到的主动转向角δ，达到回稳直行的目的；步骤B2：倾角传感器1、角速度传感器2及横摆角传感器5实时监测拖拉机姿态，防止下一次整机侧翻趋势的发生。步骤A3中，基于能量法的拖拉机侧翻评价指标iE的计算公式为：式中，拖拉机侧翻评价指标iE的取值范围为[0，+∞)，其中，0表示拖拉机处于绝对稳定状态；Ek为拖拉机侧翻动能；Ep为拖拉机重力势能；拖拉机侧翻动能Ek由公式3确定：式中，为拖拉机整机实时状态侧倾角，单位是rad，由倾角传感器1实时获取；Jx为拖拉机转动惯量，单位是kg·m2，其中Jx根据不同型号拖拉机自身参数获得；拖拉机重力势能Ep由公式4确定：式中，M为拖拉机整机质量，单位是kg；g为重力加速度，g＝9.8m/s2；jr为拖拉机质心到后轮中心的距离，单位是m；Hr是拖拉机整机质心距离地面的高度，单位是m；为拖拉机整机实时状态侧倾角，单位是rad；其中M、jr、Hr根据不同型号拖拉机自身参数获得；由倾角传感器1实时获取。本专利技术的技术有益效果在于：1、适用面广：本专利技术原理简单、可操作性强，可用于各种型号的轮式拖拉机，改装过程中不需大幅改变轮式拖拉机原结构，仅需加装部分传感器和中央控制单元，同时借助于拖拉机自身配置的液压助力转向系统实现主动转向；2、效果明显：本专利技术主要通过主动转向控制，实现行进过程中的拖拉机侧倾回稳，基于PID控制方法的控制策略反应迅速，针对一定范围内的拖本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于主动转向控制的轮式拖拉机主动防侧翻控制系统，其特征在于：所述系统包括倾角传感器(1)、角速度传感器(2)、中央控制单元(3)、步进电机(4)和横摆角传感器(5)；其中，倾角传感器(1)、角速度传感器(2)和中央控制单元(3)布置在拖拉机底盘后部下侧纵向轴线位置；横摆角传感器(5)布置在拖拉机底盘前部纵向轴线位置；步进电机(4)布置在拖拉机方向盘底部；倾角传感器(1)、角速度传感器(2)和横摆角传感器(5)共同采集拖拉机行进过程中的运动参数，包括拖拉机整机实时状态侧倾角、拖拉机整机侧倾角速度和整机横摆角；中央控制单元(3)分别和倾角传感器(1)、角速度传感器(2)和横摆角传感器(5)相连，用于根据采集的拖拉机侧倾失稳状态信号，判断拖拉机侧翻趋势，计算该侧翻工况下所需主动转向的主动转向角大小，并根据计算结果控制步进电机(4)工作，带动方向管柱内轴旋转，配合拖拉机液压助力转向系统实现拖拉机的主动转向与回稳控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于主动转向控制的轮式拖拉机主动防侧翻控制系统，其特征在于：所述系统包括倾角传感器(1)、角速度传感器(2)、中央控制单元(3)、步进电机(4)和横摆角传感器(5)；其中，倾角传感器(1)、角速度传感器(2)和中央控制单元(3)布置在拖拉机底盘后部下侧纵向轴线位置；横摆角传感器(5)布置在拖拉机底盘前部纵向轴线位置；步进电机(4)布置在拖拉机方向盘底部；倾角传感器(1)、角速度传感器(2)和横摆角传感器(5)共同采集拖拉机行进过程中的运动参数，包括拖拉机整机实时状态侧倾角、拖拉机整机侧倾角速度和整机横摆角；中央控制单元(3)分别和倾角传感器(1)、角速度传感器(2)和横摆角传感器(5)相连，用于根据采集的拖拉机侧倾失稳状态信号，判断拖拉机侧翻趋势，计算该侧翻工况下所需主动转向的主动转向角大小，并根据计算结果控制步进电机(4)工作，带动方向管柱内轴旋转，配合拖拉机液压助力转向系统实现拖拉机的主动转向与回稳控制。2.如权利要求1所述的基于主动转向控制的轮式拖拉机主动防侧翻控制系统，其特征在于：步进电机(4)布置在拖拉机方向盘底部的方向管柱一侧，步进电机(4)的动力输出轴通过链传动连接步进电机动力输出轴与方向盘方向管柱内轴。3.一种利用权利要求1或2所述的基于主动转向控制的轮式拖拉机主动防侧翻控制系统的轮式拖拉机主动防侧翻控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：当拖拉机整机系统处于有侧翻趋势的状态时：步骤A1：布置在拖拉机底盘后部下侧纵向轴线位置的倾角传感器(1)、角速度传感器(2)以及布置在拖拉机底盘前部纵向轴线位置的横摆角传感器(5)分别采集到拖拉机行进过程中的拖拉机整机实时状态侧倾角、拖拉机整机侧倾角加速度和拖拉机整机横摆角，并将所述拖拉机整机实时状态侧倾角、拖拉机整机侧倾角加速度和拖拉机整机横摆角输入到中央控制单元(3)；步骤A2：中央控制单元(3)接收倾角传感器(1)、角速度传感器(2)以及横摆角传感器(5)的输入信号，即拖拉机整机实时状态侧倾角、拖拉机整机侧倾角加速度和拖拉机整机横摆角，并利用扩展卡尔曼滤波算法对所述传感器输入信号进行滤波降噪处理；步骤A3：中央控制单元(3)根据基于能量法的拖拉机侧翻评价指标iE计算评价拖拉机侧翻趋势；其中，当iE<1时，拖拉机整机系统处于稳定状态，进行步...

【专利技术属性】
技术研发人员：李臻，秦嘉浩，武仲斌，朱忠祥，王国业，杜岳峰，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11