CN113072012B - 一种用于平衡重式叉车的防侧翻控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于平衡重式叉车的防侧翻控制方法，是基于机器人稳定性判据重心投影点(Center OfGravity，COG)和足部翻转指示点(Foot Rotation Indicator，FRI)结合的方式作为横向稳定性评价指标，通过比较地面参考点COG质心、FPI质心与支撑区域的位置关系判断叉车侧倾程度，将叉车横向稳定性状态分为三级，对于不同的横向稳定性状态利用锁止油缸和主动转向不同的联合控制方法来达到防侧翻效果。
Description
技术领域
本发明属于叉车领域，是一种用于平衡重式叉车的防侧翻控制方法。
背景技术
平衡重式叉车作为一种常用的货物搬运车辆，广泛应用于制造业、仓储业、交通运输业等行业，在当今经济高度发达的社会中使用越来越广泛，逐渐成为工业发展不可或缺的部分。因此我们对叉车的技术要求也越来越严格，在叉车的使用过程中，难免会发生侧翻等事故，因此，为了减少事故的发生，需要提高叉车防侧翻能力，增强行驶安全性。
目前国产叉车所体现出最大的两个缺陷分别是车身横向稳定性差、转向系统无法实现转向同步，横向稳定性差会导致叉车在高速转弯下容易发生侧翻，转向系统油液内泄露会导致方向盘与车轮位置对应关系错乱。国内对于叉车的防侧翻及转向系统的同步转向的研究还处于初级阶段，控制方式以及控制过程较为粗犷，核心技术尚未攻关，研究成果也不满足达到产品装车要求。
发明内容
本发明为了避免上述技术问题，提出一种平衡重式叉车的防侧翻控制方法，以期能采用锁止油缸和主动转向联合控制的防侧翻控制策略来抑制车身姿态变化，以达到最佳防侧翻效果。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种用于平衡重式叉车的防侧翻控制方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1、确定叉车横向稳定性的评价指标，包括：机器人稳定性判据重心投影点，记为COG质心，以及足部翻转指示点，记为FRI质心；
步骤2、利用式(1)和式(2)分别确定叉车的COG质心(xCOG,yCOG)和FRI质心(xFRI,yFRI)：
式(1)和式(2)中，a为叉车的联合质心至前轴的距离，hg为叉车的联合质心与地面的高度，m1为叉车的空载车体质量，L0为叉车的空载质心与前轴之间的距离，h2为空载质心的高度，m2为货物质量，c为货物质心至门架前端的水平距离，h1为货物质心的高度，d为门架前端至前轴的距离，vx、vy为叉车的联合质心的绝对速度在X、Y轴上的分量，v′x、v′y分别为vx、vy的一阶导数，a′x，a′y分别为叉车的联合质心的绝对加速度在X、Y轴上的分量，ω为叉车的横摆角速度，hx为转向桥铰接轴的高度，Ixm1、Ixm2分别为整车和货物分别绕YZ轴的惯性积；
利用式(3)和式(4)分别确定锁止油缸锁死前的支撑区域ΔABE在Y轴方向的边界ymax1以及锁死油缸锁死时的支撑区域□ABCD在Y轴方向的边界ymax2，从而确定支撑区域位置：
式(3)和式(4)中，B1、B2分别为叉车前后轮轮距；
步骤3、根据所述COG质心、FRI质心分别与支撑区域位置的关系，判断叉车所处的横向稳定状态，包括：静态稳定状态、动态稳定状态和动态不稳定状态；
步骤4、设计锁止油缸和主动转向系统；
步骤5、基于变论域自适应模糊控制方法构建防侧翻控制器，包括：锁止油缸变论域自适应模糊控制器和主动转向变论域自适应模糊PID控制器；
步骤6、根据不同的叉车横向稳定状态，利用防侧翻控制器实施相应的锁止油缸和主动转向系统联合控制的防侧翻控制策略。
本发明所述的一种用于平衡重式叉车的防侧翻控制方法的特点也在于，
所述步骤3中叉车所处的横向稳定状态是按如下方式判断：
所述静态稳定状态为：COG质心与FRI质心均位于支撑区域位置内，即|yCOG|≤ymax、|yFRI|≤ymax；其中，ymax表示边界ymax1和边界ymax2中的任意一个边界；
所述动态稳定状态为：COG质心位于支撑区域的边界外、但FRI质心位于支撑区域位置内，即|yCOG|＞ymax、|yFRI|≤ymax；
所述动态不稳定状态为：COG质心、FRI质心均位于支撑区域位置外，即|yCOG|＞ymax、|yFRI|＞ymax。
所述步骤4中锁止油缸设计过程如下：
所述锁止油缸的两端分别与车身及后桥铰接，使得锁止油缸的上腔、下腔在车身及后桥之间连通，在所述锁止油缸和油泵所连接的油路上设有锁止电磁阀；
当锁止油缸进行防侧翻控制时，所述锁止油缸的活塞杆的负载力作为自身的动力源；若活塞杆受压，则液压油由下腔流至上腔，所述锁止油缸为车身提供侧向支撑力；若活塞杆受拉，则液压油由上腔流至下腔，所述锁止油缸为车身提供侧向阻尼力；
当所述锁止油缸未进行防侧翻控制时，所述锁止电磁阀常开，车身能绕铰接点正常摆动。
所述步骤4中主动转向系统的设计过程如下：
在方向盘的传动轴上设置方向盘转角传感器(1)，并用于采集方向盘转动时的方向盘转角信号；
在转向油缸的左活塞杆的外伸段上设置车轮转角传感器(2)，用于采集车轮转角信号；
所述转向油缸的进油口、出油口分别与泄油电磁阀(3)的两端并联，用于对转向油缸的油液分流；
当叉车的横向稳定状态所处的支撑区域位置达到主动转向的触发阈值ymax时，所述泄油电磁阀(3)打开，使得所述转向油缸的高压油路开始分流泄油，以削弱方向盘对后轮的转向响应。
所述步骤5中的锁止油缸变论域自适应模糊控制器的构建过程如下：
步骤5.1a、以足部翻转指示点的横向位置yFRI的实际值与期望值之间的期望误差e和横向误差变化ec为输入变量，以锁止油缸的锁止电磁阀的电流i为输出变量；
利用式(5)和式(6)分别确定期望值误差e和误差变化ec：
式(5)和式(6)中，
为动态稳定状态的触发阈值，
分别为yFRI、
的一阶导数；
步骤5.2a、利用式(7)和式(8)分别确定两个输入量化因子Ke、Kec与输出比例因子Ki：
式(7)和式(8)中，emin和emax分别表示期望值误差e的最大值和最小值，ecmin和ecmax分别表示误差变化ec的最大值和最小值，imin和imax分别表示锁止油缸的锁止电磁阀的电流i的最大值和最小值，并构成输入输出的物理论域范围[emin，emax]，[ecmin，ecmax]，[imin，imax]；
步骤5.3a、确定模糊规则：
当期望值误差
时，表明叉车处于危险工况，并减小电流i来减小锁止电磁阀开度，以获得较大的侧向支撑力并改善横向稳定性；
当期望值误差
时，表明叉车处于非危险工况，并增大电流i来增大锁止电磁阀开度，以获得相对较小的侧向支撑力，使叉车在避免横向稳定性继续恶化的前提下兼顾叉车的仿形功能，其中，
为动态稳定状态触发阈值；
步骤5.4a、设计伸缩因子对物理论域范围[emin，emax]，[ecmin，ecmax]，[imin，imax]进行调整：
利用式(9)确定输入输出的三个伸缩因子αe1、αec1和β1：
式(9)中，αe1和αec1分别为输入变量期望值误差e和误差变化ec的伸缩因子，β1为电流i的伸缩因子，t表示自变量，τ为积分变量。
所述步骤5中的主动转向变论域自适应模糊PID控制器设计过程如下：
步骤5.1b、利用式(11)确定主动转向的等效附加后轮转角βc：
式(10)中，Kp为比例系数，Tb为积分时间常数，Td为微分时间常数，eFRI为FRI质心的期望值误差；
以足部翻转指示点的横向位置yFRI的实际值与期望值之间的误差e和横向误差变化ec为输入变量，以比例系数Kp、积分时间常数Tb、微分时间常数Td为输出变量，并根据所述输入变量与输出变量的模糊关系制定模糊规则，从而根据所述模糊规则实现比例系数Kp、积分时间常数Tb、微分时间常数Td的在线调整；
步骤5.2b、利用式(11)确定叉车的车轮转角β：
β＝βd-βc (11)
式(11)中，βd为方向盘输入的车轮转角，βc为主动转向变论域自适应模糊PID控制器输入的等效附加转角；
步骤5.3b、利用式(12)确定主动转向变论域自适应模糊PID控制器的触发条件：
步骤5.4b、利用式(13)确定经模糊化处理后的PID控制器参数：
式(13)中，K′p、T′i、T′d为最终的PID控制器参数，Kp0、Ti0、Td0为初始整定的PID控制器参数，ΔKp、ΔTi、ΔTd为PID控制器的输出量；
利用式(14)确定输入输出的五个伸缩因子αe2、αec2、βp、βd和βi：
所述步骤6中防侧翻控制策略为：
当叉车处于静态稳定状态时：锁止电磁阀完全开启，锁止油缸的活塞杆自由随动，以保持叉车的仿形功能；
当叉车处于动态稳定状态时：利用锁止油缸变论域自适应模糊控制器对锁止电磁阀进行开度控制，以获得不同的阻尼力来支撑车身；若叉车的横向稳定性继续恶化且即将脱离动态稳定状态时，将锁止电磁阀关闭；
当叉车处于动态不稳定状态时：锁止油缸锁定后，若车身状态恢复至静态稳定状态，则不进行主动转向控制；若叉车的再次达到动态稳定状态，则利用主动转向变论域自适应模糊PID控制器打开泄油电磁阀，进行主动转向干预控制。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明采用机器人稳定性研究成果，提出基于重心投影点(Center OfGravity，COG)和足部翻转指示点(Foot Rotation Indicator，FRI)作为叉车横向稳定性评价指标，能够有效避免目前常用的横向稳定性评价指标如横向载荷转移率(LTR)、TTR实时侧翻预警及零力矩点(ZMP)等所存在的问题；
2、本发明根据地面参考点COG质心、FRI质心与支撑区域的关系对叉车的横向稳定状态进行了分级，将叉车横向稳定状态分为三级：静态稳定状态、动态稳定状态、动态不稳定状态，并在此基础上设计了防侧翻控制策略及控制器，从而能够有效的判断出叉车是否处于安全工况；
3、本发明鉴于单独利用锁止油缸或主动转向控制所带来的缺陷，提出了锁止油缸和主动转向联合控制的防侧翻策略，能够使叉车在不同稳定状态下达到防侧翻的目的；
4、本发明基于变论域自适应模糊控制设计出锁止油缸和主动转向控制器，变论域模糊控制是在模糊控制器的基础上，使输入输出论域随着输入变量和输出变量的变化而跟着自行调整，其作用相当于增加了模糊控制规则，提高了模糊控制精度，从而可以最大限度保证叉车仿形功能和转向可靠性的防侧翻控制策略。
附图说明
图1为本发明叉车联合质心计算图；
图2.1为本发明横向动力学模型；
图2.2为本发明侧倾模型；
图3.1为本发明机器人腿的受力分析图；
图3.2为本发明机器人踝和足的受力分析图；
图4为本发明支撑区域表征图；
图5.1本发明为静态稳定状态图；
图5.2为本发明动态稳定状态图；
图5.3为本发明动态不稳定状态图；
图6为本发明为锁止油缸示意图；
图7为本发明主动转向油路原理图；
图8为本发明锁止油缸变论域自适应模糊控制器框图；
图9为本发明主动转向控制框图；
图10为本发明防侧翻控制策略图。
具体实施方式
本实施例中，一种用于平衡重式叉车防侧翻的控制方法，是采用锁止油缸和主动转向变论域自适应模糊控制器来联合控制实现平衡重式叉车的防侧翻效果。具体步骤如下：
步骤1、确定叉车横向稳定性的评价指标为：机器人稳定性判据重心投影点即COG质心以及足部翻转指示点即FRI质心；
步骤2、确定叉车质心COG、质心FRI与支撑区域位置；
步骤2.1、通过合成法计算叉车联合质心位置，如图1所示：
依据力矩平衡关系得以下方程：
(m2+m1)a＝m1L0-m2(c+d) (1)
(m2+m1)hg＝m2h1+m1h2 (2)
联合质心位置为：
其中：hg为联合质心离地高度；m1为叉车空载车体质量；L0为空载质心与前轴之间的距离；h2为空载质心高度；m2为货物质量；c为货物质心至门架前端的水平距离；h1为货物质心高度；d为门架前端至前轴距离。
步骤2.2、构建叉车三自由度侧倾动力学模型，所建立的横向动力学模型如图2.1所示，侧倾模型如图2.2所示。
根据锁止油缸锁定前、后的整车动力学特征变化，建立不同的侧倾运动模型。
第一侧倾运动模型：锁止油缸未锁定阶段。叉车侧倾轴线为后桥铰接点与前轴固连点间的连线。该侧倾模型有3个自由度，即车身绕铰接旋转轴转动，联合质心分别沿Y轴运动以及绕Z轴的转动。
横向运动平衡方程：
横摆运动平衡方程：
侧倾运动平衡方程：
第二侧倾运动模型：油缸锁定状态阶段。油缸锁定后，叉车运动模型切换至第二侧倾模型。此时后桥与车架固连，整车变为刚体，侧倾轴线变为单侧轮胎接地点连线。此时，横向运动平衡方程变为：
侧倾运动方程变为：
其中，转动惯量积包含叉车整车和货物两部分。如式(10)所示。
Ix＝Ixm1+Ixm2；Iz＝Izm1+Izm2 (10)
叉车转向时，将叉车轮胎垂直变形视为弹簧变形，则轮胎垂直变形后轮胎垂直作用力为：
ax＝v′x-ωvy；ay＝v′y+ωvx (12)
Fij＝Kαβij (14)
叉车质心横向加速度在X、Y轴上的分量如式(12)所示，叉车轮胎侧偏角计算如式(13)所示，车轮侧偏力如式(14)所示。
式中，m为整车质量；m1车身质量；ay纵向加速度；
车身侧倾角加速度；B1、B2分别为前后轮距；hx转向桥铰接轴高度；L为轴距；a、b分别为联合质心到前、后轴之间的水平距离；ω为横摆角速度；β1、β2分别为车轮外内转角；βij轮胎侧偏角；Fz11、Fz12为叉车前左右轮的垂向力；Fij为轮胎侧向力；vx、vy为联合质心绝对速度在X、Y轴分量；Ix、Iz分别为整车和货物共同绕YZ轴、XY轴的惯性积；Tx为前轮的垂直刚度；Kα为轮胎侧偏刚度。
步骤2.3、机器人FRI计算公式推导过程按如下进行：
根据Newton或Alembert定理，对O点取矩可得：
如图3.2所示，机器人脚裸部分的动平衡方程式为：
如图3.1所示，当动态项
ai＝0时，式(16)则为脚部的静平衡的表达式。若只取正切矢量部分，静平衡表达式变为：
(τ1+FO1×R1-FG1×m1g)t＝0 (17)
机器人角动量平衡方程为：
将式(17)与式(18)联立并取正切矢量部分可得：
对式(19)按照坐标运算法则展开，则有：
式(20)则为FRI在XY轴上的计算公式。式中，M、R分别为地面对脚部的反作用力和反作用力矩；mi、Gi、ai、Hi为各部分质量、质心位置、加速度、质心角动量；τ1为腿对脚裸的作用力矩。
步骤2.4、叉车FRI计算公式推导按如下过程：
根据FRI的特性，将式(20)代入到三自由度侧倾模型，由于叉车无悬架结构，忽略叉车俯仰运动，可得到叉车FRI质心和叉车COG质心的计算公式如下：
利用式(21)和式(22)分别确定叉车COG质心(xCOG,yCOG)和FRI质心(xFRI,yFRI)：
式(21)和式(22)中，a为叉车联合质心至前轴的距离，hg为叉车联合质心离地高度，m1为叉车空载车体质量，L0为空载质心与前轴之间的距离，h2为空载质心高度，m2为货物质量，c为货物质心至门架前端的水平距离，h1为货物质心高度，d为门架前端至前轴的距离，vx、vy为叉车联合质心绝对速度在X、Y轴分量，v′x、v′y分别为vx、vy的一阶导，a′x，a′y分别为叉车联合质心绝对加速度在X、Y轴分量，ω为叉车横摆角速度，hx为转向桥铰接轴高度，Ixm1、Ixm2分别为整车和货物绕YZ轴的惯性积。
如图4所示为支撑区域表征图，利用式(23)和式(24)分别确定锁止油缸锁死前的支撑区域ΔABE在Y轴方向的边界ymax1以及锁死油缸锁死的支撑区域□ABCD在Y轴方向的边界ymax2，从而确定支撑区域位置：
式(23)和式(24)中，B1、B2分别为叉车前后轮轮距。以下步骤中ymax1、ymax2统一以ymax表示；
步骤3、根据地面参考点COG、FRI与支撑区域的位置关系，将叉车横向稳定状态分为三级：静态稳定状态、动态稳定状态、动态不稳定状态。三种状态定义如下：
如图5.1所示，为叉车静态稳定状态：COG与FRI均位于支撑区域内，即|yCOG|≤ymax、|yFRI|≤ymax。此状态下，整车的速度、加速度较小，且作用在整车上的合力或合力矩为零，此状态下叉车的行驶状态最安全，较多出现于低速、小转角行驶工况。其中，ymax表示边界ymax1和边界ymax2中的任意一个边界；
如图5.2所示，为叉车动态稳定状态：COG位于支撑区域边界外、但FRI位于支撑区域内，即|yCOG|＞ymax、|yFRI|≤ymax。此状态下，整车总重力和总惯性力二者的合力和合力矩可以相平衡，叉车不会发生侧翻。FRI越靠近支撑区域边界横向稳定性越差，当FRI位于支撑区域边界上时，叉车处于临界稳定状态。
如图5.3所示，为叉车动态不稳定状态：COG、FRI均位于支撑区域外，即|yCOG|＞ymax、|yFRI|＞ymax。此状态下，整车力矩无法平衡，发生侧翻。
步骤4、设计锁止油缸和主动转向系统；
步骤4.1、锁止油缸设计如下：
如图6所示，锁止油缸的两端分别与车身及后桥铰接，使得锁止油缸的上腔、下腔在车身及后桥之间连通，锁止油缸和油泵所连接的油路上设有锁止电磁阀；
当锁止油缸进行防侧翻控制时，锁止油缸的活塞杆的负载力作为自身的动力源，当活塞杆受压时，液压油由下腔流至上腔，锁止油缸为车身提供侧向支撑力；当活塞杆受拉时，液压油由上腔流至下腔，锁止油缸为车身提供侧向阻尼力；
当锁止油缸未进行防侧翻控制时，锁止电磁阀常开，车身能绕铰接点正常摆动。
步骤4.2、主动转向系统设计如下：
如图7所示，在方向盘的传动轴上设置方向盘转角传感器1，并用于采集方向盘转动时的方向盘转角信号；
在转向油缸的左活塞杆的外伸段上设置车轮转角传感器2，用于采集车轮转角信号；
转向油缸的进油口、出油口分别与泄油电磁阀3的两端并联，用于对转向油缸的油液分流；
当叉车的横向稳定状态达到主动转向触发阈值时，泄油电磁阀3打开，使得转向油缸的高压油路开始分流泄油，以削弱方向盘对后轮的转向响应。
步骤5、基于变论域自适应模糊控制方法构建防侧翻控制器，包括：锁止油缸变论域自适应模糊控制器和主动转向变论域自适应模糊PID控制器。
如图8所示，锁止油缸变论域自适应模糊控制器设计如下：
步骤5.1a、以足部翻转指示点的横向位置yFRI的实际值与期望值之间的期望误差e和横向误差变化ec为输入变量，以锁止油缸的锁止电磁阀的电流i为输出变量；
利用公式(25)、公式(26)分别确定期望值误差e和误差变化ec：
式中，
为动态稳定状态触发阈值，本实施例中取为0.8ymax1、2；
分别为yFRI、
的一阶导数；
步骤5.2a、利用公式(27)、公式(28)分别确定输入量化因子与输出比例因子：
式中，输入输出的物理论域范围为[emin，emax]，[ecmin，ecmax]，[imin，imax]，模糊论域都取为[-10，10]；根据叉车的结构特征确定输入输出的物理论域：由于满载工况下质心前移，此时yΔABE最大为498mm，所以E的物理论域为[0，498]mm，EC的论域为[-200，200]mm·s-1，I物理论域为[0.03，1.05]A。
步骤5.3a、确定模糊规则为：
当期望值误差
时，表明叉车处于危险工况，并减小电流i来减小锁止电磁阀开度，以获得较大的侧向支撑力并改善横向稳定性；
当期望值误差
时，表明叉车处于非危险工况，并增大电流i来增大锁止电磁阀开度，以获得相对较小的侧向支撑力，使叉车在避免横向稳定性继续恶化的前提下兼顾叉车的仿形功能，其中，
表示为动态稳定状态触发阈值；本实施例中，Δy＝0.8ymax。
步骤5.4a、设计伸缩因子对论域调整：锁止油缸的变论域自适应模糊控制框图如图9所示；控制器为两个输入量、三个输出量，输入变量为足部翻转指示点的横向位置yFRI实际值与期望值误差e和误差变化率ec，输出变量为e、ec、及控制电流i对应的变论域伸缩因子αe、αec、β。
伸缩因子论域调整规则为：当叉车动力学模型反馈的误差与误差变化率较大时，为大幅度调节系统，改善横向稳定性，小范围的增大输入变量的论域，输出变量论域不变；当叉车动力学模型反馈的误差与误差变化率较小时，为保证控制不超调及车身仿形能力削弱，应缩小输入、输出变量的论域。
利用式(29)确定输入输出伸缩因子为：
式(29)中，αe1和αec1分别为输入变量期望值误差e和误差变化ec的伸缩因子，β1为电流i的伸缩因子，t表示自变量，τ为积分变量。
确定变论域控制器调整后的论域为Xe＝αe[-E，E]、Xec＝αec[-EC，EC]、Y＝β[-U，U]，αe、αec、β为伸缩因子，E、EC和U分别为未对控制器调整时的论域范围。
如图9所示，主动转向变论域自适应模糊PID控制器设计按如下进行：
步骤5.1b、利用式(30)确定主动转向的等效附加后轮转角βc：
式(30)中，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，eFRI为FRI期望值误差。
以足部翻转点横向位置的实际值与期望值误差e和误差变化ec为输入变量，以Kp、Ti、Td为输出变量，并参照输入变量与输出变量的模糊关系制定模糊规则，最后根据模糊规则实现Kp、Ti、Td的在线调整。
步骤5.2b、利用式(31)确定叉车的车轮转角β：
β＝βd-βc (31)
式(31)中，βd为方向盘输入的车轮转角，βc为主动转向控制器输入的等效附加转角；
步骤5.3b、利用式(32)确定主动转向控制触发条件：
步骤5.4b、将Kp、Ti、Td进行变论域自适应模糊调节。以足部翻转点横向位置的实际值与期望值误差e和误差变化ec为输入变量，以Kp、Ti、Td为输出变量，并参照输入变量与输出变量的模糊关系制定模糊规则，最后根据模糊规则实现Kp、Ti、Td的在线调整
具体的模糊规则如下：
当误差e过大时，为提高主动转向系统的响应速度，应该增大Kp；为限制误差率
的过度增大，应取较小的Td；为防止系统超调，取Ti＝0。
当误差e适中时，为提高系统响应速度，应取较小的Kp，且由于系统响应速度受Td、Ti的取值影响较大，也要选取合适的Td、Ti，取值较大会产生积分饱和，取值过小则会降低系统响应速度。
当误差e很小时，为了保证系统具有优越的稳定性和鲁棒性，Kp、Ti取值应尽量大一些，但考虑到系统振荡问题，所以Td的取值尤为重要，一般Td的取值与误差e大小成反比。
步骤5.5b、利用式(33)确定经模糊化处理后的PID控制器参数：
式(33)中，Kp、Ti、Td为最终控制参数，Kp0、Ti0、Td0为初始整定参数，ΔKp、ΔTi、ΔTd为模糊控制器输出量。
在模糊PID控制器建立之后，将其基本论域进行伸缩处理，同样采用调节量化因子和比例因子的方法进行论域伸缩，确定伸缩因子选取为：
步骤6、根据不同的叉车横向稳定状态，利用防侧翻控制器实施相应的锁止油缸和主动转向系统联合控制的防侧翻控制策略。具体的说，如图10所示，锁止油缸和主动转向联合控制的防侧翻控制策略按如下方式：
该方法对锁止油缸进行控制，如果锁止油缸有效地抑制车身姿态的恶化，达到理想的防侧翻效果，主动转向就不启动工作。若锁止油缸无法满足防侧翻要求，系统继续进行主动转向控制。这样就可以在原驾驶目的上不损失较多的转向角和仿形能力，同样能起到防侧翻的目的。
静态稳定状态：锁止电磁阀完全开启，油缸活塞杆自由随动，保持叉车良好的仿形功能；
动态稳定状态：根据设计的控制算法对锁止电磁阀进行开度控制，以获得不同的阻尼力来支撑车身。若叉车的横向稳定性继续恶化且即将脱离动态稳定状态时，将锁止电磁阀关闭。整车变为刚性连接，实现力及力矩的再分配，支撑区域扩大为四车轮接地点所构成的梯形支撑区域；
动态不稳定状态：锁止油缸锁定后，若车身状态恢复至静态稳定状态，则不进行主动转向控制。若叉车的再次达到动态平衡状态，打开泄油电磁阀，进行主动转向干预控制。
实施例：将本发明的叉车防侧翻的控制方法应用于某型3吨平衡重式叉车上，该平衡重式叉车整车质量m＝4639kg，车身质量ms＝4300kg，整车绕Z轴转动惯量Iz＝6129kg·m2，车架绕X轴转动惯量Ix＝3100kg·m2，车身质心高度hs＝0.75m，后桥质心高度等于后桥铰接点高度hr＝hu0＝0.265m，前轴与质心的距离a＝1m，后轴与质心的距离b＝0.7m，轮距B＝1m，车身相对于后桥最大摆角
选取车身侧倾角和叉车足部翻转指示点位置yFRI作为横向稳定观测目标，认为
时，叉车发生侧翻,
实施例1：当叉车满载，车速10km/h，方向盘转速2r/s行驶时，侧倾角峰值为8.56°、yFRI峰值为0.16，接近侧翻临界值，锁止油缸能起到较好防侧翻效果，主动转向并不发挥作用，保证了转向的可靠性。
实施例2：当叉车空载，车速19km/h，方向盘转速0.8r/s行驶时，无控制侧倾角峰值为14.22°、yFRI峰值为0.24，其值均超出侧翻临界值，叉车发生侧翻。单纯采用变论域模糊锁止油缸控制可起到一定的防侧翻作用，但效果一般，侧倾角峰值仍能达到6.42°。采用变论域模糊锁止油缸与主动转向联合控制时均能进一步提高叉车横向动态稳定性，且变论域模糊PID主动转向较模糊PID主动转向具有更小的侧倾角峰值，从而达到仿侧翻效果。
综上所述，采用本发明的叉车防侧翻的控制方法，可保证叉车转向的稳定性，防止叉车侧翻。
Claims (7)
1.一种用于平衡重式叉车的防侧翻控制方法，其特征是按如下步骤进行：
步骤1、确定叉车横向稳定性的评价指标，包括：机器人稳定性判据重心投影点，记为COG质心，以及足部翻转指示点，记为FRI质心；
步骤2、利用式(1)和式(2)分别确定叉车的COG质心(xCOG,yCOG)和FRI质心(xFRI,yFRI)：
式(1)和式(2)中，a为叉车的联合质心至前轴的距离，hg为叉车的联合质心与地面的高度，m1为叉车的空载车体质量，L0为叉车的空载质心与前轴之间的距离，h2为空载质心的高度，m2为货物质量，c为货物质心至门架前端的水平距离，h1为货物质心的高度，d为门架前端至前轴的距离，vx、vy为叉车的联合质心的绝对速度在X、Y轴上的分量，v′x、v′y分别为vx、vy的一阶导数，a′x，a′y分别为叉车的联合质心的绝对加速度在X、Y轴上的分量，ω为叉车的横摆角速度，hx为转向桥铰接轴的高度，Ixm1、Ixm2分别为整车和货物分别绕YZ轴的惯性积；
利用式(3)和式(4)分别确定锁止油缸锁死前的支撑区域ΔABE在Y轴方向的边界ymax1以及锁死油缸锁死时的支撑区域□ABCD在Y轴方向的边界ymax2，从而确定支撑区域位置：
式(3)和式(4)中，B1、B2分别为叉车前后轮轮距；
步骤3、根据所述COG质心、FRI质心分别与支撑区域位置的关系，判断叉车所处的横向稳定状态，包括：静态稳定状态、动态稳定状态和动态不稳定状态；
步骤4、设计锁止油缸和主动转向系统；
步骤5、基于变论域自适应模糊控制方法构建防侧翻控制器，包括：锁止油缸变论域自适应模糊控制器和主动转向变论域自适应模糊PID控制器；
步骤6、根据不同的叉车横向稳定状态，利用防侧翻控制器实施相应的锁止油缸和主动转向系统联合控制的防侧翻控制策略。
2.根据权利要求1所述的一种用于平衡重式叉车的防侧翻控制方法，其特征是，所述步骤3中叉车所处的横向稳定状态是按如下方式判断：
所述静态稳定状态为：COG质心与FRI质心均位于支撑区域位置内，即|yCOG|≤ymax、|yFRI|≤ymax；其中，ymax表示边界ymax1和边界ymax2中的任意一个边界；
所述动态稳定状态为：COG质心位于支撑区域的边界外、但FRI质心位于支撑区域位置内，即|yCOG|＞ymax、|yFRI|≤ymax；
所述动态不稳定状态为：COG质心、FRI质心均位于支撑区域位置外，即|yCOG|＞ymax、|yFRI|＞ymax。
3.根据权利要求1所述的一种用于平衡重式叉车的防侧翻控制方法，其特征是，所述步骤4中锁止油缸设计过程如下：
所述锁止油缸的两端分别与车身及后桥铰接，使得锁止油缸的上腔、下腔在车身及后桥之间连通，在所述锁止油缸和油泵所连接的油路上设有锁止电磁阀；
当锁止油缸进行防侧翻控制时，所述锁止油缸的活塞杆的负载力作为自身的动力源；若活塞杆受压，则液压油由下腔流至上腔，所述锁止油缸为车身提供侧向支撑力；若活塞杆受拉，则液压油由上腔流至下腔，所述锁止油缸为车身提供侧向阻尼力；
当所述锁止油缸未进行防侧翻控制时，所述锁止电磁阀常开，车身能绕铰接点正常摆动。
4.根据权利要求1所述的一种用于平衡重式叉车的防侧翻控制方法，其特征是，所述步骤4中主动转向系统的设计过程如下：
在方向盘的传动轴上设置方向盘转角传感器(1)，并用于采集方向盘转动时的方向盘转角信号；
在转向油缸的左活塞杆的外伸段上设置车轮转角传感器(2)，用于采集车轮转角信号；
所述转向油缸的进油口、出油口分别与泄油电磁阀(3)的两端并联，用于对转向油缸的油液分流；
当叉车的横向稳定状态所处的支撑区域位置达到主动转向的触发阈值ymax时，所述泄油电磁阀(3)打开，使得所述转向油缸的高压油路开始分流泄油，以削弱方向盘对后轮的转向响应。
5.根据权利要求1所述的一种用于平衡重式叉车的防侧翻控制方法，其特征是，所述步骤5中的锁止油缸变论域自适应模糊控制器的构建过程如下：
步骤5.1a、以足部翻转指示点的横向位置yFRI的实际值与期望值之间的期望误差e和横向误差变化ec为输入变量，以锁止油缸的锁止电磁阀的电流i为输出变量；
利用式(5)和式(6)分别确定期望值误差e和误差变化ec：
式(5)和式(6)中，
为动态稳定状态的触发阈值，
分别为yFRI、
的一阶导数；
步骤5.2a、利用式(7)和式(8)分别确定两个输入量化因子Ke、Kec与输出比例因子Ki：
式(7)和式(8)中，emin和emax分别表示期望值误差e的最大值和最小值，ecmin和ecmax分别表示误差变化ec的最大值和最小值，imin和imax分别表示锁止油缸的锁止电磁阀的电流i的最大值和最小值，并构成输入输出的物理论域范围[emin，emax]，[ecmin，ecmax]，[imin，imax]；
步骤5.3a、确定模糊规则：
当期望值误差
时，表明叉车处于危险工况，并减小电流i来减小锁止电磁阀开度，以获得侧向支撑力并改善横向稳定性；
当期望值误差
时，表明叉车处于非危险工况，并增大电流i来增大锁止电磁阀开度，以获得侧向支撑力，使叉车在避免横向稳定性继续恶化的前提下兼顾叉车的仿形功能，其中，
为动态稳定状态触发阈值；
步骤5.4a、设计伸缩因子对物理论域范围[emin，emax]，[ecmin，ecmax]，[imin，imax]进行调整：
利用式(9)确定输入输出的三个伸缩因子αe1、αec1和β1：
式(9)中，αe1和αec1分别为输入变量期望值误差e和误差变化ec的伸缩因子，β1为电流i的伸缩因子，t表示自变量，τ为积分变量。
6.根据权利要求1所述的一种用于平衡重式叉车的防侧翻控制方法，其特征是，所述步骤5中的主动转向变论域自适应模糊PID控制器设计过程如下：
步骤5.1b、利用式(11)确定主动转向的等效附加后轮转角βc：
式(10)中，Kp为比例系数，Tb为积分时间常数，Td为微分时间常数，eFRI为FRI质心的期望值误差；
以足部翻转指示点的横向位置yFRI的实际值与期望值之间的误差e和横向误差变化ec为输入变量，以比例系数Kp、积分时间常数Tb、微分时间常数Td为输出变量，并根据所述输入变量与输出变量的模糊关系制定模糊规则，从而根据所述模糊规则实现比例系数Kp、积分时间常数Tb、微分时间常数Td的在线调整；
步骤5.2b、利用式(11)确定叉车的车轮转角β：
β＝βd-βc (11)
式(11)中，βd为方向盘输入的车轮转角，βc为主动转向变论域自适应模糊PID控制器输入的等效附加转角；
步骤5.3b、利用式(12)确定主动转向变论域自适应模糊PID控制器的触发条件：
步骤5.4b、利用式(13)确定经模糊化处理后的PID控制器参数：
式(13)中，K′p、Ti′、T′d为最终的PID控制器参数，Kp0、Ti0、Td0为初始整定的PID控制器参数，ΔKp、ΔTi、ΔTd为PID控制器的输出量；
利用式(14)确定输入输出的五个伸缩因子αe2、αec2、βp、βd和βi：
7.根据权利要求1所述的一种用于平衡重式叉车的防侧翻控制方法，其特征是，所述步骤6中防侧翻控制策略为：
当叉车处于静态稳定状态时：锁止电磁阀完全开启，锁止油缸的活塞杆自由随动，以保持叉车的仿形功能；
当叉车处于动态稳定状态时：利用锁止油缸变论域自适应模糊控制器对锁止电磁阀进行开度控制，以获得不同的阻尼力来支撑车身；若叉车的横向稳定性继续恶化且即将脱离动态稳定状态时，将锁止电磁阀关闭；
当叉车处于动态不稳定状态时：锁止油缸锁定后，若车身状态恢复至静态稳定状态，则不进行主动转向控制；若叉车的再次达到动态稳定状态，则利用主动转向变论域自适应模糊PID控制器打开泄油电磁阀，进行主动转向干预控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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