一种基于防侧翻的双车集装箱野外运输集成控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于防侧翻的双车集装箱野外运输集成控制方法，属于车辆智能控制领域。首先根据双车集装箱运输实体模型，建立集装箱运输系统四轮独立转向动力学模型，同时获取集装箱运输车路径信息，建立集装箱运输系统偏差状态空间模型。将集装箱运输系统偏差状态空间模型离散化，得到集装箱运输系统离散状态空间模型。然后基于偏差状态空间模型和离散状态空间模型，设计模型预测控制器，得到集装箱运输系统的控制输入。最后通过该控制输入同时控制集装箱运输系统沿着期望的路径行驶以及转向时车辆的侧倾角，达到防止发生侧翻事故的目的。本发明专利技术采用模型预测控制实现防侧翻和路径跟踪，提高了双车集装箱野外运输的稳定性和工作效率。工作效率。工作效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于防侧翻的双车集装箱野外运输集成控制方法


[0001]本专利技术属于车辆智能控制领域，涉及一种基于防侧翻的双车集装箱野外运输集成控制方法，具体涉及防侧翻控制和四轮转向路径跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]随着集装箱运输产业的不断发展，双车集装箱运输开始研究并逐渐应用。通过双车进行集装箱运输可以大大提高承载和运输能力，完成单运输车难以完成的任务。在进行双车集装箱运输作业时，一般通过人工控制的方式操纵其中的一辆运输车的驱动和转向，另一辆车提供承载功能，完成集装箱的运输。
[0003]野外集装箱运输对集装箱运输车的控制提出了较高的要求，野外道路复杂，集装箱体积大，重心位置较高，容易发生侧翻问题。传统人工控制的方式一方面需要在集装箱运输车上增加驾驶室，增加了集装箱运输车的复杂程度，降低了承载能力。另一方面受到驾驶员经验的影响，很难控制野外运输的精度和稳定性，对可能发生的侧翻很难进行预警和控制。

技术实现思路

[0004]针对传统人工控制集装箱运输车导致的运输精度不高，灵活性和稳定性差，易发生侧翻等问题，本专利技术提出一种基于防侧翻的双车集装箱野外运输集成控制方法，建立了集装箱运输系统四轮独立转向动力学模型，采用模型预测控制和基于优化的扭矩分配策略进行集装箱运输车的横纵向控制。
[0005]基于防侧翻的双车集装箱野外运输集成控制方法，具体步骤包括：
[0006]步骤一：根据双车集装箱运输实体模型，采集和获取集装箱运输车底盘参数和集装箱参数，建立集装箱运输系统四轮独立转向动力学模型。
[0007]基于集装箱运输车底盘参数和集装箱参数，通过动静法获得如下动力学微分方程：
[0008][0009]其中，集装箱运输系统总质量m＝2m
c
+m
j
，m
c
为集装箱运输车的整备质量，m
j
为集装箱的总质量，m
s
为集装箱运输系统簧载质量。F
yf
为前车受到的侧向轮胎力，F
yr
为后车受到的侧向轮胎力。δ
f
为前车转向角，δ
r
为后车转向角，I
z
为集装箱运输系统绕Z轴的转动惯量，r为横摆角速度，为横摆角加速度，l
f
为集装箱运输系统质心到前集装箱运输车转向轴的距离，l
r
为集装箱运输系统质心到后集装箱运输车转向轴的距离，ΔM
z
为附加横摆力矩，I
x
为集装箱运输系统绕X轴的转动惯量，v为集装箱运输系统横向速度，为集装箱运输系统横向加速度，u为集装箱运输系统纵向速度，为侧倾角，为侧倾角速度，为侧倾角加速度，
为悬架等效侧倾阻尼系数，为悬架等效侧倾刚度。g为重力加速度，h为悬架到侧倾中心的距离。
[0010]根据公式(1)，选取作为状态变量，建立集装箱运输系统状态空间模型：
[0011][0012]y＝Cx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0013]其中，y为集装箱运输系统输出，C为输出矩阵；C
f
为前轮轮胎的侧偏刚度，C
r
为后轮轮胎的侧偏刚度；
[0014]将上述模型简写成如下：
[0015][0016]y＝Cx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0017]其中，
[0018][0019]u＝[δ
f δ
r ΔM
z
]T
。
[0020]步骤二：获取集装箱运输车路径信息，建立集装箱运输系统偏差状态空间模型。
[0021]路径信息包括路径横坐标X
r
＝[x
r1 x
r2
ꢀ…ꢀ
x
rn
]，路径纵坐标Y
r
＝[y
r1 y
r2
ꢀ…ꢀ
y
rn
]，路径航向角φ
r
＝[φ
r1 φ
r2
ꢀ…ꢀ
φ
rn
]，路径航向角速度下标n为路径点数目。
[0022]令为集装箱运输系统航向角与运输路径最近点p的方向之差，则
[0023][0024]其中，φ为集装箱运输系统的航向角，φ
r
为运输路径上p点航向角，为运输路径上p点航向角速度，根据几何关系，可得p点到集装箱运输系统中心的距离的导数为：
[0025][0026]选取为状态变量，e
d
为p点到集装箱运输系统中心的距离，根据公式(2)和公式(3)，可得集装箱运输系统偏差状态空间模型为：
[0027][0028]y
e
＝C
e
x
e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0029]其中，y
e
为集装箱运输系统偏差模型输出，C
e
为偏差模型输出矩阵。为集装箱运输系统航向角与运输路径最近点p的方向之差的导数。
[0030]将上述模型简写如下：
[0031][0032]y
e
＝C
e
x
e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0033]其中，
[0034][0035][0036]步骤三：采用欧拉法将集装箱运输系统偏差状态空间模型离散化，得到集装箱运输系统离散状态空间模型；
[0037]集装箱运输系统离散状态空间模型为：
[0038][0039]y
k
＝C
k
x
e
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0040]其中，A
k
＝(I
‑
A
e
ΔT/2)(I+A
e
ΔT/2)，I为单位矩阵，B
k
＝B
e
ΔT，W
k
＝W
e
ΔT，ΔT为采样时间间隔，y
k
为离散状态空间模型输出，C
k
为离散状态空间模型输出矩阵。
[0041]设置预测时域N
p
，控制时域N
c
，根据公式(12)计算集装箱运输系统接下来状态：
[0042][0043]将公式(14)简写如下：
[0044]X
p
＝A
p
x
e
+P
p
U(k)+Q
p
W
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于防侧翻的双车集装箱野外运输集成控制方法，其特征在于，具体步骤包括：步骤一：根据双车集装箱运输实体模型，采集和获取集装箱运输车底盘参数和集装箱参数，建立集装箱运输系统四轮独立转向动力学模型；基于集装箱运输车底盘参数和集装箱参数，通过动静法获得如下动力学微分方程：其中，集装箱运输系统总质量m＝2m
c
+m
j
，m
c
为集装箱运输车的整备质量，m
j
为集装箱的总质量，m
s
为集装箱运输系统簧载质量；F
yf
为前车受到的侧向轮胎力，F
yr
为后车受到的侧向轮胎力；δ
f
为前车转向角，δ
r
为后车转向角，I
z
为集装箱运输系统绕Z轴的转动惯量，r为横摆角速度，为横摆角加速度，l
f
为集装箱运输系统质心到前集装箱运输车转向轴的距离，l
r
为集装箱运输系统质心到后集装箱运输车转向轴的距离，ΔM
z
为附加横摆力矩，I
x
为集装箱运输系统绕X轴的转动惯量，v为集装箱运输系统横向速度，为集装箱运输系统横向加速度，u为集装箱运输系统纵向速度，为侧倾角，为侧倾角速度，为侧倾角加速度，为悬架等效侧倾阻尼系数，为悬架等效侧倾刚度，g为重力加速度，h为悬架到侧倾中心的距离；步骤二：获取集装箱运输车路径信息，基于独立转向动力学模型建立集装箱运输系统偏差状态空间模型；基于路径信息，令为集装箱运输系统航向角与运输路径最近点p的方向之差，则其中，φ为集装箱运输系统的航向角，φ
r
为运输路径上p点航向角，为运输路径上p点航向角速度，根据几何关系，可得p点到集装箱运输系统中心的距离的导数为：选取为状态变量，e
d
为p点到集装箱运输系统中心的距离，可得集装箱运输系统偏差状态空间模型为：y
e
＝C
e
x
e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，
y
e
为集装箱运输系统偏差模型输出，C
e
为偏差模型输出矩阵；步骤三：将集装箱运输系统偏差状态空间模型离散化，得到集装箱运输系统离散状态空间模型；集装箱运输系统离散状态空间模型为：y
k
＝C
k
x
e
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中，A
k
＝(I
‑
A
e
ΔT/2)(I+A
e
ΔT/2)，I为单位矩阵，B
k
＝B
e
ΔT，W
k
＝W
e
ΔT，ΔT为采样时间间隔，y
k
为离散状态空间模型输出，C
k
为离散状态空间模型输出矩阵；步骤四：基于集装箱运输系统偏差状态空间模型和离散状态空间模型，设计模型预测控制器，得到集装箱运输系统的控制输入，控制集装箱运输系统沿着期望的路径行驶；基于集装箱运输系统偏差状态空间模型和离散状态空间模型，建立模型预测控制的目标函数为：其中，Y
d
为与Y
p
维数相同的全零矩阵，Q
W1
和R
W1
为权重系数，U为输出结果矩阵；步骤五：同时，通过控制输入控制集装箱运输系统转向时车辆的侧倾角，达到防止发生侧翻事故的目的；首先，基于集装箱运输系统的纵向加速度a
x
和横向加速度a
y
，得到集装箱运输系统垂向载荷在前后运输车轮胎上的分布：
其中，l为轴距，d为运输车左右车轮轮距，g为重力加速度，h
g
为车辆的质心高度，F
z1
为作用于前运输车左侧车轮的垂向力，F
z2
为作用于前运输车右侧车轮的垂向力，F
z3
为作用于后运输车左侧车轮的垂向力，F
z4
为作用于后运输车右侧车轮的垂向力；集装箱运输系统总的纵向力F
x
和横摆力矩M
z
为：其中，F
x1
为作用于前运输车左侧车轮的纵向力，F
x2
为作用于前运输车右侧车轮的纵向力，F
x3
为作用于后运输车左侧车轮的纵向力，F
x4
为作用于后运输车右侧车轮的纵向力；将公式(10)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张辉，张永康，张宏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：