串联式主动悬架自平衡运载车的自平衡控制系统及方法技术方案

本申请涉及助力运载技术领域，具体而言，涉及一种串联式主动悬架自平衡运载车的自平衡控制系统及方法，一定程度上可以解决如何更好地提高士兵的负重能力，以及在狭小地区和复杂路况下有更强的灵活性和机动性的问题

【技术实现步骤摘要】
串联式主动悬架自平衡运载车的自平衡控制系统及方法


[0001]本申请涉及助力运载
，具体而言，涉及一种串联式主动悬架自平衡运载车的自平衡控制系统及方法
。

技术介绍

[0002]随着现代军事技术的飞速发展，士兵在执行任务过程中需要携带的装备和补给不断增多，负重问题愈加凸显，如何提高士兵的负重能力一直是一个重要问题
。
[0003]国家安全在面对威胁时，部队必须能在各种复杂的地形上快速机动，提高小单位的杀伤力，并使分布式行动成为可能，同时避免受伤和过度疲劳，近年来各国政府和不同组织机构一直在投入资源研发军用电动助力运载车，从而增强士兵在单兵行动下的运载能力
。
[0004]然而，如何更好地提高士兵的负重能力，以及在狭小地区和复杂路况下有更强的灵活性和机动性成为了亟需解决的问题
。

技术实现思路

[0005]为了解决如何更好地提高士兵的负重能力，以及在狭小地区和复杂路况下有更强的灵活性和机动性的问题，本申请提供了一种串联式主动悬架自平衡运载车的自平衡控制系统及方法
。
[0006]本申请的实施例是这样实现的：
[0007]第一方面，本申请提供一种串联式主动悬架自平衡运载车的自平衡控制系统，包括主控系统
、
手柄控制器
、
车身姿态传感器
、
驱动系统及通信系统；
[0008]所述主控系统通过所述通信系统与所述手柄控制器
、
所述车身姿态传感器及所述驱动系统连接；
[0009]所述车身姿态传感器包括陀螺仪传感器
、
加速度传感器
、
轮毂电机霍尔传感器及主动悬架的位置传感器；
[0010]所述驱动系统还有运载车的运动部件连接，以驱动其动作
。
[0011]在一种可能的实现方式中，所述手柄控制器，根据操作人员的控制动作生成操作信号，并将所述操作信号传输至主控系统；
[0012]所述车身姿态传感器，分布设置于车身不同位置，并且采集不同的车身姿态信号，将多种所述车身姿态信号传输至主控系统；
[0013]所述主控系统根据所述操作信号及多种所述车身姿态信号，计算得到车身的姿态及运动信息，并得到对应的控制策略，根据所述控制策略输出控制信号至所述驱动系统；
[0014]所述驱动系统根据所述控制信号控制车辆的运动部件动作，实现自平衡控制
。
[0015]在一种可能的实现方式中，所述车辆的运动部件包括直流轮毂电机
、
轮胎及主动悬架装置，所述主动悬架装置为电动伺服作动器，通过所述直流轮毂电机产生平衡车稳定的恢复力和阻尼力，具体包括：
[0016]通过电机加速度控制实现平衡车平衡稳定；
[0017]通过电机速度控制，实现平衡车恒速运行和静止；
[0018]通过电机差速控制，可以实现平衡车方向控制
。
[0019]第二方面，本申请提供一种串联式主动悬架自平衡运载车的自平衡控制方法，包括：
[0020]建立运载车平衡模型；
[0021]根据
LQR
线性二次调节方法，求取控制器的最优反馈规律，并得到直流轮毂电机的力矩输出；
[0022]基于所述主动悬架装置的工作行程变化，根据不同的车身高度求得所有反馈增益矩阵，通过对不同车身高度的所述反馈增益矩阵进行线性拟合，输出不同车身高度平衡时的直流轮毂电机扭矩
。
[0023]在一种可能的实现方式中，所述建立运载车平衡模型，进一步包括：
[0024]假定：
[0025]车辆的机体质量等效集中于质心位置；
[0026]忽略腿部运动对轮式运动的影响；
[0027]忽略腿部连杆的质量；
[0028]驱动轮与地面是无滑动的滚动摩擦；
[0029]基于上述假定，运载车的轮式运动等效为摆长可变的双轮倒立摆模型
。
[0030]在一种可能的实现方式中，所述双轮倒立摆模型包括左右驱动轮及机体；
[0031]对所述左右驱动轮进行受力分析，求得左驱动轮动力学方程及右驱动轮动力学方程，结合两者得到驱动轮动力学方程；
[0032]将机体部分视作
x
‑
y
平面内的倒立摆，以质心作为对象进行受力分析，求得质心在
x
方向的力平衡方程
、
质心在
y
方向的力平衡方程及质心在
z
方向的力平衡方程，将三者结合附加力偶得到机体的动力学方程；
[0033]再将所述质心在
y
方向的力平衡方程带入所述驱动轮动力学方程中，得到完整的驱动轮动力学方程
。
[0034]在一种可能的实现方式中，所述根据
LQR
线性二次调节方法，求取控制器的最优反馈规律，并得到直流轮毂电机的力矩输出，还包括：
[0035]根据所述机体的动力学方程及所述完整的驱动轮动力学方程，得到状态空间控制模型；
[0036]选取状态变量及输出变量，并设定一个增益反馈矩阵；
[0037]通过调节状态反馈控制器，使代价函数取得最小值
。
[0038]在一种可能的实现方式中，所述基于所述主动悬架装置的工作行程变化，根据不同的车身高度求得所有反馈增益矩阵，通过对不同车身高度的所述反馈增益矩阵进行线性拟合，输出不同车身高度平衡时的直流轮毂电机扭矩，还包括：
[0039]根据所述反馈增益矩阵，针对运载车不同车身高度的工作，对系统模型进行线性化，求解所述反馈增益矩阵，对矩阵每一个元素随车身高度的变化拟合多项式方程
。
[0040]在一种可能的实现方式中，所述自平衡控制方法，还包括：
[0041]建立整车动力学模型；
[0042]建立与现有传感器融合的地形估计算法；
[0043]结合所述整车动力学模型及所述地形估计算法，得到全地形车动力学模型；
[0044]基于所述全地形车动力学模型，进行车身姿态控制
。
[0045]在一种可能的实现方式中，所述整车动力学模型中，整车包括五个部件及两个串联式主动悬架，将车身看做一个刚体；
[0046]得到车身在车身在质心处的垂向跳动方程
、
车身侧倾运动方程为
、
车身两个端点处的位移
、
各个悬架处的车轮的垂向运动方程及各作动器支撑块的垂向运动方程
。
[0047]在一种可能的实现方式中，本申请提供的技术方案至少可以达到以下有益效果：
[0048]本申请提供的串联式主动悬架自平衡运载车的自平衡控制系统及方法，通过加入了主动悬架也就是电动伺服作动器，增加了运载车的垂向方向的自由度，并且本申请会根据不同的车身姿态高度给出相应平衡控制策略，能够结合本申请提出的地形估计算法，进行预测，并根据预测结果得到的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种串联式主动悬架自平衡运载车的自平衡控制系统，其特征在于，包括主控系统
、
手柄控制器
、
车身姿态传感器
、
驱动系统及通信系统；所述主控系统通过所述通信系统与所述手柄控制器
、
所述车身姿态传感器及所述驱动系统连接；所述车身姿态传感器包括陀螺仪传感器
、
加速度传感器
、
轮毂电机霍尔传感器及主动悬架的位置传感器；所述驱动系统还有运载车的运动部件连接，以驱动其动作
。2.
如权利要求1所述的串联式主动悬架自平衡运载车的自平衡控制系统，其特征在于，所述手柄控制器，根据操作人员的控制动作生成操作信号，并将所述操作信号传输至主控系统；所述车身姿态传感器，分布设置于车身不同位置，并且采集不同的车身姿态信号，将多种所述车身姿态信号传输至主控系统；所述主控系统根据所述操作信号及多种所述车身姿态信号，计算得到车身的姿态及运动信息，并得到对应的控制策略，根据所述控制策略输出控制信号至所述驱动系统；所述驱动系统根据所述控制信号控制车辆的运动部件动作，实现自平衡控制
。3.
如权利要求2所述的串联式主动悬架自平衡运载车的自平衡控制系统，其特征在于，所述车辆的运动部件包括直流轮毂电机
、
轮胎及主动悬架装置，所述主动悬架装置为电动伺服作动器，通过所述直流轮毂电机产生平衡车稳定的恢复力和阻尼力，具体包括：通过电机加速度控制实现平衡车平衡稳定；通过电机速度控制，实现平衡车恒速运行和静止；通过电机差速控制，可以实现平衡车方向控制
。4.
一种串联式主动悬架自平衡运载车的自平衡控制方法，其特征在于，包括：建立运载车平衡模型；根据
LQR
线性二次调节方法，求取控制器的最优反馈规律，并得到直流轮毂电机的力矩输出；基于所述主动悬架装置的工作行程变化，根据不同的车身高度求得所有反馈增益矩阵，通过对不同车身高度的所述反馈增益矩阵进行线性拟合，输出不同车身高度平衡时的直流轮毂电机扭矩
。5.
如权利要求4所述的串联式主动悬架自平衡运载车的自平衡控制方法，其特征在于：所述建立运载车平衡模型，进一步包括：假定：车辆的机体质量等效集中于质心位置；忽略腿部运动对轮式运动的影响；忽略腿部连杆的质量；驱动轮与地面是无滑动的滚动摩擦；基于上述假定，运载车的轮式运动等效为摆长可变的双轮倒立摆模型
。6.
如权利要求5所述的串联式主动...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚双吉，王振贺，张鑫，柳俊杰，赵丁选，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：