本發(fā)明涉及無人履帶車輛控制,具體涉及一種雙側(cè)獨立電驅(qū)動履帶式車輛的電機轉(zhuǎn)矩控制方法。

背景技術(shù)：

0、技術(shù)背景

1、履帶式車輛因其出色的地面適應(yīng)性和卓越的越野能力，在多種非鋪裝路面和地形中發(fā)揮著重要作用。

2、傳統(tǒng)履帶車輛的動力系統(tǒng)由多個關(guān)鍵部件組成，包括發(fā)動機、變速器、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、傳動軸和側(cè)減速齒輪等。發(fā)動機負責產(chǎn)生動力，而變速器則通過切換不同的齒輪比來調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出的速度和扭矩。轉(zhuǎn)向機構(gòu)利用橫向連桿實現(xiàn)履帶的差速運動，以便于車輛轉(zhuǎn)向。傳動軸負責將變速器產(chǎn)生的動力傳遞至側(cè)減速齒輪。側(cè)減速齒輪通過一系列齒輪的嚙合，進一步降低速度并增大扭矩，最終將動力輸送至驅(qū)動輪。車輛的牽引性能曲線是由發(fā)動機和減速齒輪的配合作用所決定的。

3、電驅(qū)動履帶車輛與傳統(tǒng)履帶車輛相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、機動性好、動力冗余、能源清潔等優(yōu)勢。轉(zhuǎn)向是履帶車輛的重要工況,直接影響著高速履帶車輛的機動性和越野性能。傳統(tǒng)的高速履帶車輛采用轉(zhuǎn)向機構(gòu)完成轉(zhuǎn)向,但轉(zhuǎn)向機構(gòu)存在結(jié)構(gòu)復雜、占用空間大、功率利用率低、加工難度大、成本高等一系列問題。隨著電驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展,電驅(qū)動履帶車輛可以利用電子控制器直接控制兩側(cè)履帶實現(xiàn)電子差速轉(zhuǎn)向,但行駛阻力隨行駛狀態(tài)非線性大范圍變化,因此對算法的跟蹤性能和抗干擾能力要求較高。

4、雙側(cè)獨立電驅(qū)動履帶車輛的轉(zhuǎn)向控制機制主要基于差速驅(qū)動原理，即通過控制兩側(cè)電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，以實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向功能。這種轉(zhuǎn)向控制方式不需要復雜的機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)，簡化了車輛的結(jié)構(gòu)，同時提高了轉(zhuǎn)向的靈活性和響應(yīng)速度。而且雙側(cè)獨立電驅(qū)動履帶車輛具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、能量效率高和適應(yīng)性強等優(yōu)點，是履帶車輛技術(shù)發(fā)展的重要方向。

5、無人履帶車輛可以通過遠程控制或自動駕駛技術(shù)進行路徑規(guī)劃，并需要進行閉環(huán)控制以滿足運動學要求。由于這些車輛經(jīng)常需要在特殊條件下運行，因此對整車動力學扭矩的精確控制至關(guān)重要，以滿足運動學需求。

6、目前，采用雙側(cè)獨立驅(qū)動的無人駕駛的履帶車輛，其動力學轉(zhuǎn)矩分配通常基于參數(shù)標定配置。通過這種方法來獲得一個相對合理的轉(zhuǎn)矩分配方案，但其存在明顯的局限性，即使用同一組參數(shù)很難覆蓋不同的工作狀況，會導致車輛在實際操作中遇到動力不足或超調(diào)問題。隨著對運動控制精度要求的提高，傳統(tǒng)的動力學轉(zhuǎn)矩計算方法已經(jīng)難以滿足對精準控制的需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種雙側(cè)電機獨立驅(qū)動履帶車輛的電機轉(zhuǎn)矩控制方法，通過分數(shù)階piλdμ控制器與改進的粒子群優(yōu)化算法進行全局尋優(yōu)，來獲得左右兩側(cè)電機的最優(yōu)輸出轉(zhuǎn)矩，提高履帶車輛驅(qū)動電機的控制精度并降低超調(diào)量，從而提高履帶式車輛運動控制的魯棒性和可靠性。

2、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種用于雙側(cè)電機獨立驅(qū)動的履帶式車輛的轉(zhuǎn)矩控制方法，其包括以下步驟：

3、步驟1.建立雙側(cè)電機獨立驅(qū)動的履帶車輛的運動學模型，確定xoy坐標軸、車輛形心位置、左右兩側(cè)履帶中心間距，轉(zhuǎn)向瞬心位置、車輛的形心速度、履帶車輛兩側(cè)車輪的運動半徑rt等；

4、步驟2.建立雙側(cè)履帶車輛的預(yù)瞄跟蹤模型，通過搜索路徑上的目標點確定跟蹤位置，并結(jié)合履帶車輛的當前位置和航向信息，計算出當前的橫向偏差。

5、根據(jù)幾何關(guān)系可知，車輛幾何形心c至直線規(guī)劃路徑lnln+1的橫向偏差如下：

6、

7、再基于的建立雙側(cè)履帶車輛的預(yù)瞄跟蹤模型，計算出履帶車輛的預(yù)瞄點。計算預(yù)瞄點的過程如下：

8、

9、los＝k*v?(3)

10、根據(jù)ln點坐標和ln+1點坐標可得：

11、

12、且

13、

14、根據(jù)上述公式(4)(5)可知，履帶車輛跟蹤過程中預(yù)瞄點t的xt坐標方程為：

15、

16、求解預(yù)瞄點方程(6)(7)，計算出預(yù)瞄點坐標t(xt,yt)，并選擇最小距離點作為車輛最終預(yù)瞄點。根據(jù)車輛預(yù)瞄點坐標，并結(jié)合履帶車輛的當前位置和航向信息，計算履帶車輛當前的航向偏差計算如下：

17、

18、f(x,y)為方位角求解函數(shù),方位角求解函數(shù)計算式如下：

19、

20、步驟3.利用模糊控制算法設(shè)計模糊控制器，將步驟2計算得到的橫向偏差和航向偏差進行模糊化處理后作為輸入，將履帶車輛轉(zhuǎn)向時的橫擺角速度作為輸出。先對模糊控制器的輸入輸出進行模糊化處理，再根據(jù)模糊規(guī)則分別確認橫向偏差、航向偏差和橫擺角速度的隸屬度函數(shù)，經(jīng)過制定好的模糊控制規(guī)則處理后，通過最大隸屬度法對橫擺角速度的輸出值進行解模糊，從而得到履帶車輛轉(zhuǎn)向時的橫擺角速度。

21、步驟4.采集履帶車輛的形心速度v和步驟3計算得到的車輛轉(zhuǎn)向時的橫擺角速度ω，根據(jù)履帶車輛的運動學模型，可以得到履帶車輛兩側(cè)的線速度。

22、

23、根據(jù)已知履帶車輛兩側(cè)車輪的運動半徑rt和計算得到的左、右兩側(cè)履帶的線速度vl、vr，可以得到履帶車輛兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速。由于電機直接驅(qū)動車輪運動，故兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速即是左、右兩側(cè)電機的期望轉(zhuǎn)速：

24、

25、采集左右兩側(cè)電機的實際轉(zhuǎn)速nl和nr，通過與計算得到的左右兩側(cè)電機的期望轉(zhuǎn)速nreql和nreqr之間的差值，利用分數(shù)階piλdμ控制算法進行反饋控制獲取左、右兩側(cè)電機的輸出轉(zhuǎn)矩：

26、

27、步驟5.對上述步驟4中分數(shù)階piλdμ控制的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)、積分階數(shù)和微分階數(shù)，均通過改進的粒子群優(yōu)化算法進行全局尋優(yōu)。將分數(shù)階piλdμ的參數(shù)比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)、積分階數(shù)和微分階數(shù)作為1個粒子的5個分量，在五維空間中對參數(shù)進行尋優(yōu)計算。

28、設(shè)粒子i在第k+1次迭代計算時的速度和位置根據(jù)以下公式進行更新：

29、vin(k+1)＝w(k+1)vin(k)+c1r1(pin(k)-xin(k)+c2r2(pgn(k)-xin(k)))?(13)

30、xin(k+1)＝xin(k)+vin(k+1)?(14)

31、對粒子群優(yōu)化算法進行改進后的自適應(yīng)調(diào)整的慣性權(quán)值計算公式為：

32、w(i)＝0.4+0.5*ww(i)/num?(15)

33、粒子群優(yōu)化算法的目標函數(shù)為：

34、

35、適應(yīng)度函數(shù)對偏差的積分、控制器的輸入與超調(diào)量的權(quán)衡根據(jù)對應(yīng)的權(quán)值系數(shù)進行調(diào)整設(shè)計適應(yīng)度函數(shù)，計算每個粒子的適應(yīng)度函數(shù)值：

36、fitness＝j(luò)?(17)

37、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:

38、①本發(fā)明給出了一種應(yīng)用于雙側(cè)獨立電驅(qū)動履帶式車輛的電機轉(zhuǎn)矩控制方法，能夠應(yīng)用于無人平臺，針對不同行車工況提高驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩的自適應(yīng)性，提高整車響應(yīng)能力，降低超調(diào)量。

39、②本發(fā)明給出的分數(shù)階piλdμ模糊控制器，創(chuàng)新性地與改進粒子群優(yōu)化算法進行結(jié)合，對分數(shù)階piλdμ控制的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)、積分階數(shù)和微分階數(shù)均通過改進的粒子群優(yōu)化算法進行全局尋優(yōu)，提高了履帶車輛在轉(zhuǎn)矩控制時的魯棒性。

40、③本發(fā)明幫助實現(xiàn)履帶車輛的自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，提高田間作業(yè)和轉(zhuǎn)移行進的效率及安全性，節(jié)約了人力、物力資源，具有廣闊的市場前景。