電動(dòng)叉車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略探析

關(guān)文杰

（杭叉集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311305）

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是指將駕駛員的控制指令傳入電子控制器中，并由電子控制器根據(jù)當(dāng)前路面狀況、車輛狀態(tài)、方向盤轉(zhuǎn)角等多方面綜合情況展開計(jì)算，得出最為合適的輪胎轉(zhuǎn)角，并按照這一輪胎轉(zhuǎn)角控制電動(dòng)叉車進(jìn)行轉(zhuǎn)向動(dòng)作。而主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略則是在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)橫擺角速度、轉(zhuǎn)向半徑等車輛轉(zhuǎn)向性能參數(shù)進(jìn)行有效控制，以避免不足轉(zhuǎn)向或過(guò)度轉(zhuǎn)向的出現(xiàn)。這種控制策略不僅能夠保證貨載的穩(wěn)定性、適應(yīng)復(fù)雜地形，同時(shí)也能夠大大提升電動(dòng)叉車的轉(zhuǎn)向靈活性。

1 電動(dòng)叉車的轉(zhuǎn)向性能要求

1.1 轉(zhuǎn)向靈活性

一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)叉車的轉(zhuǎn)向靈活性通常與轉(zhuǎn)彎半徑、車速、橫擺角速度有關(guān)，其中轉(zhuǎn)彎半徑意味著電動(dòng)叉車轉(zhuǎn)彎所需要的空間大小，轉(zhuǎn)彎半徑越小，則叉車在轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的空間也會(huì)越小，其面對(duì)狹窄環(huán)境時(shí)的轉(zhuǎn)向靈活性自然就會(huì)大好，而橫擺角速度則是指汽車?yán)@垂直軸的偏轉(zhuǎn)的大小，這一性能與叉車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定程度有著直接的關(guān)系，如果橫擺角速度達(dá)到一個(gè)閾值，那么叉車就很容易發(fā)生測(cè)滑或甩尾等事故，橫擺角速度越大，叉車的穩(wěn)定性就會(huì)越好，叉車轉(zhuǎn)向時(shí)的靈活性同樣會(huì)更強(qiáng)。但需要注意的是，叉車轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑并非越小越好，而橫擺角速度也不是越大越好，雖然在叉車車速較低時(shí)，更高的橫擺角速度以及更小的轉(zhuǎn)彎半徑雖然能夠在一定程度上避免轉(zhuǎn)向不足等問(wèn)題，但在叉車車速較快的情況下，由于駕駛員很容易出現(xiàn)緊張心理，其對(duì)于方向盤的把控也不夠準(zhǔn)確，因此，過(guò)高的橫擺角速度以及過(guò)小的轉(zhuǎn)彎半徑很容易導(dǎo)致過(guò)度轉(zhuǎn)向，從而給叉車行駛帶來(lái)危險(xiǎn)，因此，轉(zhuǎn)彎半徑和橫擺角速度能夠很好地反應(yīng)叉車的轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性能。

1.2 操作穩(wěn)定性

電動(dòng)叉車的操作穩(wěn)定性是指叉車在行駛過(guò)程中，其實(shí)際轉(zhuǎn)向情況與駕駛者控制指令間的契合度，由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身會(huì)根據(jù)電子控制器對(duì)綜合情況進(jìn)行分析，并控制輪胎轉(zhuǎn)角，因此叉車的轉(zhuǎn)向控制實(shí)際上是由電子控制器完成的，如果電子控制器的分析結(jié)果與駕駛員的駕駛意圖差距較大，那么就很容易使駕駛員出現(xiàn)錯(cuò)誤的判斷與控制操作，進(jìn)而導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。另外，電動(dòng)叉車在行駛過(guò)程中很容易受到外界因素的干擾，而叉車在轉(zhuǎn)向時(shí)能夠有效地抵抗干擾，保持穩(wěn)定的行駛，也同樣是影響電動(dòng)叉車操作穩(wěn)定性的重要因素。從整體上看，電動(dòng)叉車的操作穩(wěn)定性會(huì)受到質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度的影響，橫擺角速度能夠明確駕駛員的駕駛意圖與叉車轉(zhuǎn)向特性，而質(zhì)心側(cè)偏角則會(huì)對(duì)橫擺角速度的反應(yīng)效果造成影響。

2 電動(dòng)叉車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略

2.1 解耦控制策略

電動(dòng)叉車的穩(wěn)定性是由其質(zhì)心偏角決定的，在解耦的控制上，是對(duì)算法中的質(zhì)心偏角以及橫擺角速兩變量之間耦合關(guān)系進(jìn)行解除，優(yōu)化這兩個(gè)量的力學(xué)特征。通過(guò)這種控制算法能將質(zhì)心偏角減小趨近零，從而提高電動(dòng)叉車在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的穩(wěn)定性。根據(jù)三輪二度動(dòng)力方程：將質(zhì)心偏角與橫擺角速二者之間耦合解除，有效地改善了三輪叉車在質(zhì)心偏角以及橫擺角速發(fā)生響應(yīng)的特征。

對(duì)叉車后輪的轉(zhuǎn)向角展開控制后，改善了其動(dòng)力性能，使其擺脫橫擺角速的影響，僅由車輛的實(shí)際參數(shù)確定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)質(zhì)心偏角接近零的目標(biāo)。

電動(dòng)叉車轉(zhuǎn)向在解耦控制中還存在相應(yīng)的缺點(diǎn)，致使叉車發(fā)生劇烈的擺動(dòng)?？赏ㄟ^(guò)虛擬前輪展開橫擺角速的補(bǔ)償，把此變量以虛擬的方式轉(zhuǎn)到前輪的轉(zhuǎn)向控制當(dāng)中，對(duì)其中的補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提高電動(dòng)叉車在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的穩(wěn)定性以及動(dòng)力性能。

2.2 前后輪等角反向轉(zhuǎn)動(dòng)控制策略

對(duì)于叉車前后輪的等角反轉(zhuǎn)方面的控制，需要駕駛員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期工作總結(jié)出具體經(jīng)驗(yàn)，其中等角的反轉(zhuǎn)是指虛擬化控制，控制前、后論的轉(zhuǎn)角，確保大小相同，方向相反。對(duì)于此部分的控制核心內(nèi)容是將電動(dòng)叉車在瞬間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的軸心時(shí)刻保持在沿車體豎向中心所處的水平線上。在對(duì)前后輪的等角轉(zhuǎn)向控制方面，不但可以在很大程度上縮短電動(dòng)叉車轉(zhuǎn)彎過(guò)程的半徑，而且還能提升其在行駛過(guò)程的靈敏程度，利于叉車處于低速運(yùn)行時(shí)機(jī)動(dòng)性能的提高。在前后輪的等角轉(zhuǎn)向控制上，要符合電動(dòng)叉車在運(yùn)行時(shí)的阿克曼定理。以虛擬化的前輪的轉(zhuǎn)角以及幾何束縛，將前輪轉(zhuǎn)角靈活控制，使其行駛軌跡符合定理中的闡述的幾何關(guān)系，同時(shí)還保障了叉車輪胎和地面之間保持純滾動(dòng)的形態(tài)，這樣不但能有效地發(fā)揮輪胎的力學(xué)性能，而且減少了其與地面的磨損。

3 主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略在各種工況下的反應(yīng)情況

3.1 高速正弦工況

以電動(dòng)叉車保持15km/h 的速度為例。其解耦以及對(duì)前后輪的等角等控制都可降低叉車質(zhì)心偏角的值。在解耦控制情況下，叉車的質(zhì)心偏角值能夠在非常微小的狀態(tài)，幾乎趨近于零。當(dāng)通過(guò)后輪的等角轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)叉車轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制時(shí)，其橫擺角速能根據(jù)輸入系統(tǒng)中的正弦發(fā)生變化，保證其最大值處于0.342rad/s，到達(dá)目的地用時(shí)0.657s。當(dāng)使用叉車前輪的等角轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)其轉(zhuǎn)向控制時(shí)，其橫擺角速最高值維持在0.517rad/s，到達(dá)目的地用時(shí)0.648s。叉車解耦控制時(shí)，橫擺角速最大值在0.281rad/s，到達(dá)目的地用時(shí)0.557s。由此可以看出，在解耦控制下，其反應(yīng)所需時(shí)間更短，因此，解耦控制有速度上的優(yōu)勢(shì)，對(duì)橫擺角速也有較好的控制效果。

3.2 高速斜坡工況

以電動(dòng)叉車保持15km/h 的速度為例。在2s 以內(nèi)的仿真時(shí)間，解耦控制質(zhì)心偏角值趨近于零，這也是解耦控制顯著的優(yōu)勢(shì)。使用前后輪的反轉(zhuǎn)控制時(shí)，質(zhì)心偏角的值是-0.115rad/s。使用后輪向控制時(shí)，質(zhì)心偏角處于-0.144rad/s，相比之下，質(zhì)心偏角的絕對(duì)值降低了。由此可以看出，當(dāng)使用前后輪進(jìn)行等角反轉(zhuǎn)的控制時(shí)，能夠改善叉車發(fā)生側(cè)偏的現(xiàn)象。從橫擺角速方面來(lái)看，后輪的轉(zhuǎn)向控制時(shí)，橫擺角速處于0.382rad/s。當(dāng)前后輪的等角反轉(zhuǎn)控制時(shí)，橫擺角速的值在0.575rad/s，解耦控制通過(guò)仿真達(dá)到了比之前更小的角速度，值為0.285rad/s。通過(guò)以上數(shù)據(jù)也可以看出，在解耦控制時(shí)，橫擺角速值比前后輪的轉(zhuǎn)向控制明顯變小，起到了良好的控制效果。

3.3 低速斜坡工況

以電動(dòng)叉車保持5km/h 的速度為例。在前2s 時(shí)間內(nèi)，解耦控制質(zhì)心偏角趨近零。當(dāng)前后輪的等角反轉(zhuǎn)控制時(shí)，質(zhì)心偏角反應(yīng)速度更加快速，其穩(wěn)定時(shí)的值是-0.072rad/s。后輪轉(zhuǎn)向控制時(shí)，質(zhì)心偏角穩(wěn)定時(shí)的值是-0.115rad/s，質(zhì)心偏角的穩(wěn)態(tài)絕對(duì)值減小，由此可以看出，通過(guò)前后輪對(duì)叉車的等角反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制改善了質(zhì)心偏角較大的問(wèn)題。針對(duì)橫擺角速，使用后輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制時(shí)，其數(shù)值維持在0.144rad/s。當(dāng)使用前后輪的等角反向控制時(shí)，數(shù)值維持在0.215rad/s。當(dāng)解耦控制時(shí)，其數(shù)值維持在0.181rad/s。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出，這兩種控制方式都能降低電動(dòng)叉車低速行駛過(guò)程中將橫擺角速提高的目的。站在叉車穩(wěn)定性以及具有良好的動(dòng)能性能的角度分析，使用以上兩種方式都能實(shí)現(xiàn)增加其橫擺角速，但是前后輪的等角反轉(zhuǎn)在控制效果方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.4 低速正弦工況

以電動(dòng)叉車保持5km/h 的速度為例。針對(duì)低速狀態(tài)下的正弦仿真，使用解耦控制以及前后輪的等角反轉(zhuǎn)控制等方法可降低叉車在運(yùn)行過(guò)程中質(zhì)心偏角的值。當(dāng)解耦控制時(shí)，其質(zhì)心偏角依然處于較低值，幾乎趨近于0，同時(shí)也說(shuō)明，解耦控制條件下能提高電動(dòng)叉車的機(jī)動(dòng)性能，還提高了其操作的穩(wěn)定性。當(dāng)使用后輪轉(zhuǎn)向控制時(shí)，其橫擺角速最高值是0.138rad/s，用時(shí)0.569s。使用前后輪的等角反轉(zhuǎn)控制時(shí)，最高值為0.211ad/s，用時(shí)0.555s。使用解耦控制，最高值為0.178ad/s，到達(dá)時(shí)間0.554s。在低速仿真時(shí)，解耦控制的速度更快。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)電動(dòng)叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究具有重要意義，既能提高駕駛?cè)藛T的安全性，還能提高叉車的工作效率。通過(guò)以上對(duì)解耦和前后輪等角反向轉(zhuǎn)動(dòng)控制兩方面分析了電動(dòng)叉車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方式，并分別分析了在高速正弦、高速斜坡、低速斜坡、低速正弦下這兩種控制方式的優(yōu)勢(shì)，希望為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供思路，完善設(shè)計(jì)叉車的使用性能。