[发明专利]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

权利要求书

1.一种利用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，其中，

基于主动转向控制的轮式拖拉机主动防侧翻控制系统，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；

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i_E计算评价拖拉机侧翻趋势；基于能量法的拖拉机侧翻评价指标i_E的计算公式为：

式中，拖拉机侧翻评价指标i_E的取值范围为[0，+∞)，其中，0表示拖拉机处于绝对稳定状态；E_k为拖拉机侧翻动能；E_p为拖拉机重力势能；

拖拉机侧翻动能E_k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；J_x为拖拉机转动惯量，单位是kg·m²，其中J_x根据不同型号拖拉机自身参数获得；

拖拉机重力势能E_p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；j_r为拖拉机质心到后轮中心的距离，单位是m；H_r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、j_r、H_r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；

其中，当i_E1时，拖拉机整机系统处于稳定状态，进行步骤B2；当i_E≥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；

L_f、L_r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；

a_y为拖拉机整机侧倾角加速度，单位是rad/s；其中，a_y由角速度传感器(2)获取的角速度求导得到；

V_x为拖拉机前进速度，单位是m/s；

J_x为拖拉机转动惯量，单位是kg·m²，其中J_x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；

k_f、k_r分别为前后轮侧偏刚度系数；

j_r为拖拉机质心到后轮中心的距离，单位是m；

H_r是拖拉机整机质心距离地面的高度，单位是m；

w_r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。

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的轮式拖拉机主动防侧翻控制方法，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。