內(nèi)燃平衡重叉車(chē)橫向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏 光， 唐希雯， 汪韶杰， 彭建剛

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)工程技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.解放軍電子工程學(xué)院 雷抗系，安徽 合肥 230037）

平衡重式叉車(chē)行駛路況復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，側(cè)翻事故高發(fā)［1］。平衡重式叉車(chē)在低附著系數(shù)路面行駛時(shí)，車(chē)輪的側(cè)向力不會(huì)無(wú)限制增長(zhǎng)，常常會(huì)接近附著極限或達(dá)到飽和狀態(tài)，使平衡重式叉車(chē)在實(shí)際轉(zhuǎn)向行駛方向時(shí)常常偏離正常軌跡，從而出現(xiàn)側(cè)滑、自旋甚至側(cè)翻等喪失穩(wěn)定性的危險(xiǎn)情況［2－3］。

本文針對(duì)內(nèi)燃平衡重叉車(chē)進(jìn)行了液壓系統(tǒng)局部改造升級(jí)，在轉(zhuǎn)向后橋的單支撐點(diǎn)兩側(cè)加裝電磁閥控制的鎖止液壓油缸，當(dāng)叉車(chē)發(fā)生側(cè)傾和失去穩(wěn)定性時(shí)，通過(guò)電磁閥控制鎖止油缸將車(chē)架與后橋連接，使平衡重式叉車(chē)的三角形支撐面變成不等邊梯形支撐面，改善極限工況下的橫向穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件設(shè)計(jì)主要是電子控制單元的硬件設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它表明了內(nèi)燃平衡重叉車(chē)橫向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的基本電路結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程。主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)和最小系統(tǒng)電路、點(diǎn)火系統(tǒng)供電電路、車(chē)速信號(hào)調(diào)理電路、橫擺角速度ω、質(zhì)心側(cè)偏角、載荷W 和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角等模擬信號(hào)調(diào)理電路；貨叉高度、門(mén)架前傾限位和制動(dòng)等開(kāi)關(guān)信號(hào)調(diào)理電路；電磁閥驅(qū)動(dòng)電路和故障診斷通信電路。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 MC9S12XS128及其最小系統(tǒng)

內(nèi)燃平衡重叉車(chē)橫向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)選用飛思卡爾16位單片機(jī)MC9S12XS128作為控制器的核心單元。MC9S12XS128是112腳封裝的一款高性能16位單片機(jī)，具有速度快、功能強(qiáng)、成本低、功耗低等特點(diǎn)。由于 MC9S12XS128具有4個(gè)16位定時(shí)器、8通道12位ADC、內(nèi)嵌MSCAN模塊、8通道脈寬調(diào)制器（PWM）以及多個(gè)外部中斷管腳，使其特別適用于車(chē)輛、工業(yè)控制應(yīng)用［4］。

最小系統(tǒng)是指該處理器能正常工作所必須的條件，主要包括電源時(shí)鐘、復(fù)位和BDM接口，如果芯片沒(méi)有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，則還要加上存儲(chǔ)器系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

（1）車(chē)速信號(hào)調(diào)理電路。該電路主要包括電壓比較器、巴特沃思濾波、電平轉(zhuǎn)換和隔離限幅電路，把車(chē)速（v）等正弦信號(hào)轉(zhuǎn)化為處理器可以識(shí)別的較高精度的脈沖信號(hào)，傳遞給處理器的捕獲口供采集，以提供車(chē)速信息。

（2）橫擺角速度等模擬信號(hào)調(diào)理電路。該電路主要通過(guò)一階低通濾波電路對(duì)橫擺加速度、質(zhì)心側(cè)偏角、載荷和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)進(jìn)行濾波，再通過(guò)穩(wěn)壓二極管進(jìn)行限幅，最終送到單片機(jī)的A／D口進(jìn)行采集。

（3）貨叉高度等開(kāi)關(guān)信號(hào)調(diào)理電路。該電路主要通過(guò)光耦對(duì)貨叉高度、門(mén)架前傾限位和制動(dòng)等開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行處理，然后送至處理器的I／O口以供采集。

（4）電磁閥驅(qū)動(dòng)電路。該電路的主要功能是驅(qū)動(dòng)比例電磁閥，進(jìn)而改變左右后輪軸鎖止油缸油路油壓，完成對(duì)叉車(chē)車(chē)架與后軸的逐漸連接與分離，并最終實(shí)現(xiàn)叉車(chē)的支撐平面由三角形變成不等邊梯形。電磁閥驅(qū)動(dòng)電路采用英飛凌智能功率驅(qū)動(dòng)芯片BTS824，即由單片機(jī)輸出控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)芯片BTS824，驅(qū)動(dòng)芯片再輸出控制左右后輪軸鎖止油缸比例電磁閥，實(shí)現(xiàn)叉車(chē)車(chē)架與后軸的連接與分離控制操作。

（5）故障診斷電路。該電路功能利用控制器監(jiān)視傳感器、單片機(jī)最小系統(tǒng)和電磁閥等各組成部分的工作情況，發(fā)現(xiàn)故障后自動(dòng)啟動(dòng)故障運(yùn)行程序，將故障以代碼的形式（此代碼為設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)約定好）存入Flash存儲(chǔ)器，同時(shí)通過(guò)故障指示燈提醒駕駛員和維修人員電控系統(tǒng)中出現(xiàn)故障。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS－II

μC／OS－II是一種免費(fèi)公開(kāi)源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有可靠性高、移植性強(qiáng)、占用資源少、裁剪方便以及源碼公開(kāi)等諸多優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)移植了實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以讓開(kāi)發(fā)人員把繁瑣的調(diào)度交給操作系統(tǒng)，集中精力于模塊本身功能的實(shí)現(xiàn)，高效率高質(zhì)量地開(kāi)發(fā)完成車(chē)輛電控單元，大大縮短應(yīng)用產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性，提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益［5－6］。

μC／OS－II內(nèi)核包含了任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理及進(jìn)程間通信4個(gè)部分。

2.2 移植μC／OS－II到 MC9S12XS128

根據(jù)μC／OS－II的要求，移植 μC／OS－II到一個(gè)新的體系結(jié)構(gòu)上需要提供與CPU代碼相關(guān)的3個(gè)代碼文件［7］，即C語(yǔ)言頭文件OS－CPU.H、C語(yǔ)言源文件OS－CPU－C.C和匯編源文件程序OS－CPU－ASM.H。

2.3 基于μC／OS－II的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 系統(tǒng)控制策略

叉車(chē)載荷變化范圍大，工況多變，其穩(wěn)定性控制非常復(fù)雜。采用傳統(tǒng)的控制方法對(duì)其進(jìn)行橫向穩(wěn)定性控制，控制效果有時(shí)難以滿足要求。模糊控制器是一種不需要對(duì)控制對(duì)象精確建模的控制器，它根據(jù)人們的經(jīng)驗(yàn)制定控制規(guī)則得出控制決策表，并可使控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單化，特別適合于對(duì)叉車(chē)進(jìn)行橫向穩(wěn)定性控制［8－11］，本文對(duì)叉車(chē)橫向穩(wěn)定性系統(tǒng)采用模糊控制策略進(jìn)行控制。

橫向穩(wěn)定性模糊控制系統(tǒng)由橫擺角速度模糊控制器和質(zhì)心側(cè)偏角模糊控制器組成。期望橫擺角速度和實(shí)際橫擺角速度的誤差e1及誤差的變化率ec1為前者的輸入，控制輸出為；期望的質(zhì)心側(cè)偏角和實(shí)際質(zhì)心側(cè)偏角的誤差e2和誤差的變化率ec2為后者的輸入，控制輸出為T(mén)Z2。為了綜合控制叉車(chē)的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，采用線性權(quán)函數(shù)對(duì)2個(gè)模糊控制器的輸出加權(quán)，可得最終的后輪軸搖擺鎖定力矩為：

其中，n為權(quán)系數(shù)，n＝0.85。

根據(jù)叉車(chē)穩(wěn)定性控制的性能要求，采用7個(gè)模糊集合表示輸入量及輸出量的狀態(tài)，即｛PB，PM，PS，ZE，NS，NM，NB｝。采用三角形函數(shù)作為基本隸屬函數(shù)，邊界采用梯形函數(shù)，其中模糊輸入的隸屬函數(shù)在零值附近模糊集的劃分密度相對(duì)大些，離ZE較遠(yuǎn)處模糊集的劃分密度相對(duì)小些，可在一定程度上提高控制的靈敏度，控制器輸入、輸出的隸屬度函數(shù)如圖2所示。

圖2 控制器輸入、輸出的隸屬度函數(shù)

根據(jù)大量的仿真數(shù)據(jù)可建立2種模糊控制器的模糊推理規(guī)則，結(jié)果見(jiàn)表1、表2所列，采用重心法將模糊輸出進(jìn)行反模糊化，可得到模糊控制器的輸出和。

表1 橫擺角速度模糊控制輸出規(guī)則表

表1 橫擺角速度模糊控制輸出規(guī)則表

ec 1 e1 NB NMNS ZE PS PMPB NB PB PB PB PB PMZE ZE NMPB PB PB PB PMZE ZE NS PMPMPMPMZE NS NS ZE PMPMPS ZE NS NMNMPS PS PS ZE NMNMNMNMPMZE ZE NMNB NB NB NB PB ZE ZE NMNMNB NB NB

表2 質(zhì)心側(cè)偏角模糊控制輸出規(guī)則表

表2 質(zhì)心側(cè)偏角模糊控制輸出規(guī)則表

ec 2 e2 NB NMNS ZE PS PMPB NB PB PB PMPMPS ZE ZE NMPB PB PMPMPS ZE ZE NS PB PB PMPMPS ZE NMZE PB PMPMZE NMNMNB PS PMPMZE NS NMNMNB PMZE ZE NS NS NMNMNB PB ZE ZE NS NMNMNMNB

2.3.2 系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件按照各自實(shí)現(xiàn)的功能不同可以分為3個(gè)部分，即驅(qū)動(dòng)程序?qū)?、任?wù)層和操作系統(tǒng)內(nèi)核層。根據(jù)車(chē)輛穩(wěn)定性控制的要求設(shè)計(jì)了緊急事件處理、信號(hào)采集、控制電流輸出和數(shù)據(jù)通信等4個(gè)主要任務(wù)，各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)及功能見(jiàn)表3所列。

系統(tǒng)軟件主程序流程如圖3所示。

表3 任務(wù)優(yōu)先級(jí)和功能描述

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

2.3.3 任務(wù)子程序設(shè)計(jì)

（1）信號(hào)采集。信號(hào)采集主要包括橫擺加速度和質(zhì)心側(cè)偏角、載荷和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角等模擬信號(hào)，需要進(jìn)行A／D采集；貨叉高度、門(mén)架前傾限位和制動(dòng)等開(kāi)關(guān)量信號(hào)直接讀取單片機(jī)I／O即可；車(chē)速信號(hào)需要進(jìn)行頻率信號(hào)的捕獲。橫擺角速度A／D采集和車(chē)速捕獲采集程序流程如圖4、圖5所示。

圖4 A／D采集程序流程圖

圖5 車(chē)速采集程序流程圖

質(zhì)心側(cè)偏角、載荷和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與橫擺角速度采集原理相同，在此不再詳述。

（2）控制電流輸出。該程序通過(guò)輸出不同占空比的PWM信號(hào)控制電磁閥電流，調(diào)節(jié)鎖止液壓缸強(qiáng)度，控制電流輸出程序流程如圖6所示。

圖6 控制電流輸出程序流程圖

該程序主要通過(guò)對(duì)采集的橫擺加速度、載荷、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和車(chē)速等信號(hào)進(jìn)行處理、分析和判斷，輸出不同占空比的PWM信號(hào)，控制鎖止電磁閥開(kāi)度大小，對(duì)鎖止液壓缸進(jìn)行增壓和減壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)叉車(chē)車(chē)架與車(chē)橋之間的連接面由三角形逐步變成梯形，增加叉車(chē)橫向穩(wěn)定性。

首先根據(jù)捕獲的不同車(chē)速進(jìn)入其相應(yīng)的處理子程序，在每個(gè)對(duì)應(yīng)的處理子程序里，通過(guò)對(duì)叉車(chē)載荷狀態(tài)的判斷，進(jìn)入相應(yīng)的滿載和空載橫向穩(wěn)定性控制處理程序進(jìn)行控制參數(shù)調(diào)整，然后進(jìn)入側(cè)傾控制處理子程序，根據(jù)橫擺角速度的采集值與穩(wěn)定性控制閾值K－thn（n＝1～6）比較判斷，得到輸出控制電流參數(shù)，再參考電流檢測(cè)結(jié)果，輸出控制電流，進(jìn)行鎖止液壓缸增壓和減壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)叉車(chē)橫向穩(wěn)定性控制。采用C語(yǔ)言對(duì)飛思卡爾16位單片機(jī) MC9S12XS128進(jìn)行編程，使用CodeWarrior for S12（X）V5.0開(kāi)發(fā)環(huán)境，程序通過(guò)BDM仿真后，下載到MC9S12XS128的內(nèi)部Flash里，上電后就可以脫離仿真環(huán)境運(yùn)行。

3 實(shí)車(chē)試驗(yàn)

試驗(yàn)方法主要是實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)，試驗(yàn)車(chē)輛為安裝有自主開(kāi)發(fā)橫向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的某國(guó)產(chǎn)內(nèi)燃平衡重叉車(chē)，如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)車(chē)輛

試驗(yàn)工況為初始車(chē)速8km／h，路面附著系數(shù)為0.8的空載單移線工況，得到的平衡重式叉車(chē)橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角和車(chē)身側(cè)傾角試驗(yàn)數(shù)據(jù)峰值見(jiàn)表4所列。

表4 單移線工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)峰值

表4中，ω為橫擺角速度；φ1為質(zhì)心側(cè)偏角；φ2為車(chē)身側(cè)傾角。

單移線工況下，與不施加控制相比，采用模糊控制下的平衡重式叉車(chē)橫擺角速度峰值減小了20%，質(zhì)心側(cè)偏角峰值減小了25%，車(chē)身側(cè)傾角峰值減小了34.4%，且平衡重式叉車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角的幅值被限制在±0.1rad之間，表明平衡重式叉車(chē)的軌跡保持能力得到提高，車(chē)身側(cè)偏角峰值較小，較好地改善了車(chē)身姿態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用模糊控制可較好地跟蹤橫擺角速度，提高軌跡保持能力，且質(zhì)心側(cè)偏角和車(chē)身側(cè)傾角被抑制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，改善了車(chē)身側(cè)傾角響應(yīng)，有效避免了平衡重式叉車(chē)發(fā)生失穩(wěn)狀況。

4 結(jié) 論

（1）采用嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS－II以及多任務(wù)的編程方法大大提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，進(jìn)而提高了控制器的響應(yīng)特性。

（2）采用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃平衡重叉車(chē)橫向穩(wěn)定性控制，開(kāi)發(fā)的穩(wěn)定性控制器可實(shí)現(xiàn)叉車(chē)車(chē)架與車(chē)橋之間的支撐面由三角形逐步變成梯形，有效地改善了叉車(chē)橫向穩(wěn)定性。

（3）通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)，有效地驗(yàn)證了控制策略的正確性。

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