無人履帶平臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)

馬廣原， 陳慧巖

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

0 引言

隨著智能技術(shù)的快速發(fā)展，裝備無人化逐漸成為發(fā)展趨勢(shì)，可在作戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。履帶車輛具有良好的通過性和環(huán)境適應(yīng)性，是陸軍裝備重要組成部分。對(duì)無人裝備的研制可分為重新設(shè)計(jì)無人平臺(tái)和基于現(xiàn)有裝備改造兩種方式。研制先進(jìn)的新型號(hào)無人平臺(tái)，費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，應(yīng)用新技術(shù)對(duì)現(xiàn)有裝備改造，既可以對(duì)老舊型號(hào)加以利用并縮短研發(fā)周期，又可為無人平臺(tái)設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。目前國(guó)外已經(jīng)有不少通過現(xiàn)有裝備改造的無人平臺(tái)，例如美國(guó)無人駕駛M113裝甲運(yùn)輸車、俄羅斯“天王星-9”無人戰(zhàn)車等[1]。我國(guó)也在積極探索基于舊型號(hào)裝備改造無人平臺(tái)，其中對(duì)原有動(dòng)力傳動(dòng)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行無人化改造并適應(yīng)無人系統(tǒng)是其中的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

本文中無人履帶機(jī)動(dòng)平臺(tái)使用大功率柴油機(jī)作為動(dòng)力執(zhí)行系統(tǒng)，目前對(duì)柴油機(jī)控制的研究多為使用先進(jìn)控制算法提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性以及抗負(fù)載能力[2-6]，而對(duì)柴油機(jī)調(diào)速特性適配車輛運(yùn)行工況的研究較少。柴油機(jī)和變速箱是車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)柴油機(jī)和變速箱協(xié)同控制的研究中，多以變速箱換擋特性為主，柴油機(jī)配合變速箱工作[7-11]，此種方法換擋特性制定方法復(fù)雜，難以適應(yīng)無人履帶平臺(tái)復(fù)雜工況。無人履帶機(jī)動(dòng)平臺(tái)具有無人打擊、警戒巡邏、物資運(yùn)輸、無人值守等功能，這對(duì)其軌跡跟蹤控制精度提出極高要求，需要控制系統(tǒng)及執(zhí)行系統(tǒng)的密切配合，要求動(dòng)力系統(tǒng)具有自動(dòng)啟停、可變調(diào)速特性等功能以適應(yīng)無人平臺(tái)操控發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。

本文以某型輸送車搭載的6150型機(jī)械式調(diào)速柴油機(jī)為研究基礎(chǔ)，探究底層控制系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)動(dòng)平臺(tái)性能的影響，并設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)電控制系統(tǒng)，加入自動(dòng)啟停、可變發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性功能，以適應(yīng)無人機(jī)動(dòng)平臺(tái)在不同工況下的需求，與車輛傳動(dòng)系統(tǒng)配合以提高無人機(jī)動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力性和通過能力。

1 無人機(jī)動(dòng)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

1.1 無人平臺(tái)系統(tǒng)框架

無人履帶機(jī)動(dòng)平臺(tái)需要在無人干預(yù)的情況下穿越復(fù)雜的地形，這就要求其能夠感知環(huán)境信息并規(guī)劃得到目標(biāo)軌跡，最后通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤。無人機(jī)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的相互耦合的整體，其性能與系統(tǒng)各個(gè)部分性能密切相關(guān)。

無人平臺(tái)整車系統(tǒng)由感知定位模塊、決策規(guī)劃模塊和控制模塊組成[12-21]。感知定位模塊中實(shí)現(xiàn)了傳感器與系統(tǒng)的通訊、數(shù)據(jù)接收和保存，并將環(huán)境信息發(fā)送至決策規(guī)劃模塊和控制模塊。決策規(guī)劃模塊從環(huán)境信息中取得相機(jī)、雷達(dá)及慣性導(dǎo)航信息，在數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)地圖重建；根據(jù)路點(diǎn)信息快速搜索無碰撞通道，并以履帶平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡特性為基礎(chǔ)生成局部路徑，最后將處理后得到的局部路點(diǎn)信息輸出至控制模塊，控制模塊通過解算得到期望速度以及轉(zhuǎn)向模式和轉(zhuǎn)向角度，生成控制指令并將其傳輸至發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、轉(zhuǎn)向等控制器。

軍用無人履帶平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，既需要在公路上高速移動(dòng)，又需要在越野環(huán)境行駛，不同的工況對(duì)由發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱為核心組成的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)提出不同的要求：例如在阻力系數(shù)小的平路上長(zhǎng)距離行駛時(shí)，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性以增加平臺(tái)作戰(zhàn)半徑；在短距離快速機(jī)動(dòng)時(shí)，則以提高系統(tǒng)動(dòng)力性為主。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)性能與發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性和調(diào)速特性密切相關(guān)，本文通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)控制對(duì)無人平臺(tái)性能的影響，設(shè)計(jì)適應(yīng)無人履帶平臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)智能控制與管理系統(tǒng)。

1.2 無人平臺(tái)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

本文研究對(duì)象為基于定軸傳動(dòng)、行星轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組成的履帶車輛平臺(tái)。其傳動(dòng)圖如 圖1 所示，該平臺(tái)的動(dòng)力裝置為額定功率260馬力的6缸水冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；動(dòng)力通過主離合器傳遞至傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)裝置是由原車定軸式變速箱改造而來的電控機(jī)械自動(dòng)變速箱(AMT)。車輛轉(zhuǎn)向裝置為串聯(lián)在變速箱輸出端的二級(jí)行星轉(zhuǎn)向機(jī)，由一個(gè)行星排和三個(gè)摩擦元件組成，通過控制左右側(cè)履帶主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，來實(shí)現(xiàn)車輛差速轉(zhuǎn)向。

圖1 無人履帶平臺(tái)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

2 直駛轉(zhuǎn)向工況下發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性制定

發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性指當(dāng)油門開度固定在某個(gè)位置，由調(diào)速器自動(dòng)控制噴油泵供油齒桿的移動(dòng)，當(dāng)負(fù)載從零變到最大時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩或者功率等參數(shù)與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。調(diào)速特性直接影響無人履帶平臺(tái)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和路徑跟蹤控制精度。無人履帶平臺(tái)運(yùn)行工況復(fù)雜多變，在不同路面行駛、上下坡、轉(zhuǎn)向等工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性均有不同的需求。本節(jié)通過分析無人平臺(tái)直駛和轉(zhuǎn)向兩種工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性的需求，指出在無人平臺(tái)直駛時(shí)應(yīng)使用原機(jī)械調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性以適應(yīng)AMT換擋特性，在轉(zhuǎn)向時(shí)應(yīng)保證在油門開度不變的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載變化，避免車輛降速過多導(dǎo)致AMT異常換擋、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火等現(xiàn)象，使車輛路徑跟蹤精度下降。

2.1 直駛工況下發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性

車輛的動(dòng)力系與傳動(dòng)系是相互影響、彼此關(guān)聯(lián)的，這就要求將動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行研究。無人履帶平臺(tái)使用的AMT自動(dòng)變速箱換擋規(guī)律根據(jù)原機(jī)械調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性曲線計(jì)算得到。對(duì)于無人履帶平臺(tái)而言，應(yīng)主要考慮動(dòng)力性和通過性，因此采用最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律。在無人平臺(tái)直駛工況下，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)特性與AMT自動(dòng)變速箱換擋特性匹配，應(yīng)盡可能模仿原機(jī)械調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性曲線。

為測(cè)定機(jī)械調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性需要進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，并實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門開度和轉(zhuǎn)矩信息。轉(zhuǎn)速測(cè)量采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量曲軸轉(zhuǎn)角，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼上，通過測(cè)量接收到的脈沖頻率計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。油門拉桿通過試驗(yàn)臺(tái)架上電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以任意調(diào)節(jié)油門開度。臺(tái)架上安裝有水力測(cè)功機(jī)，控制臺(tái)通過控制水門開度控制負(fù)載大小，并實(shí)時(shí)顯示此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩信息。試驗(yàn)時(shí)將油門固定在100%，通過測(cè)功機(jī)施加載荷，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨載荷增大逐漸下降，記錄下每次轉(zhuǎn)速下降50 r/min 并穩(wěn)定時(shí)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信息，直到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 300 r/min到達(dá)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)時(shí)停止加載，得到油門開度為100%時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線。將發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度依次減小10%，重復(fù)上述步驟以采集柴油機(jī)部分調(diào)速特性曲線。當(dāng)柴油機(jī)空載轉(zhuǎn)速小于800 r/min時(shí)停止加載，此時(shí)油門開度為30%。得到原機(jī)械調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性曲線如圖2所示，其中不同顏色曲線從左至右分別代表了柴油機(jī)油門開度為30%～100%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖。從圖2中可以看出，當(dāng)柴油機(jī)油門開度固定，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的上升而下降，調(diào)速率為10%。發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)在1 300～1 400 r/min之間，最大轉(zhuǎn)矩 1 130 N·m。

圖2 機(jī)械調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性曲線

2.2 轉(zhuǎn)向工況下發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性

無人履帶車輛轉(zhuǎn)向時(shí)所需發(fā)動(dòng)機(jī)功率遠(yuǎn)大于車輛處于相同條件下(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同、變速箱擋位相同)直駛時(shí)消耗的功率。履帶車輛轉(zhuǎn)向時(shí)阻力包括內(nèi)部機(jī)構(gòu)摩擦阻力和外部履帶與地面相互作用產(chǎn)生的阻力。外阻力包含履帶相對(duì)地面滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力，如果是在松軟路面上還包含剪切阻力和推土阻力。轉(zhuǎn)向時(shí)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率可由(1)式計(jì)算得到：

(1)

式中：Pe表示轉(zhuǎn)向過程中消耗的發(fā)動(dòng)機(jī)功率；PR表示轉(zhuǎn)向時(shí)外側(cè)履帶消耗的功率；Pf表示轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)摩擦元件滑摩并換算到主動(dòng)輪時(shí)消耗的功率；η表示由履帶車輛傳動(dòng)裝置效率；Ph為內(nèi)側(cè)履帶與地面作用產(chǎn)生的再生功率。無人平臺(tái)轉(zhuǎn)向時(shí)外側(cè)履帶消耗功率和內(nèi)側(cè)履帶再生功率可由(2)式計(jì)算得到：

(2)

式中：Fo、Fi分別表示地面對(duì)外側(cè)和內(nèi)側(cè)履帶產(chǎn)生的作用力；f滾動(dòng)阻力系數(shù)；G、B、L為車輛參數(shù)，分別表示車重、車寬和車長(zhǎng)；v表示外側(cè)履帶與接地面中心的切線速度；ρ為相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑，是轉(zhuǎn)向半徑R與車寬B的比值；μ為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)，隨轉(zhuǎn)向半徑減小而增大，

(3)

式中：μmax為最大轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)。

本文使用的無人履帶平臺(tái)轉(zhuǎn)向裝置使用的是二級(jí)行星轉(zhuǎn)向機(jī)，此種轉(zhuǎn)向裝置有兩種規(guī)定轉(zhuǎn)向半徑，在中低速行駛過程中，多以第一規(guī)定轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)向，此時(shí)不存在摩擦元件滑摩消耗的功率，即Pf=0。無人履帶平臺(tái)以第一位置轉(zhuǎn)向時(shí)功率與直駛功率之比約為1.9。此時(shí)為避免車速大幅下降將增大油門開度，從而越過降擋曲線，導(dǎo)致自動(dòng)變速箱循環(huán)換擋甚至發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。且車速下降或換擋導(dǎo)致的動(dòng)力中斷，都將增加無人平臺(tái)轉(zhuǎn)向時(shí)路徑跟蹤誤差。因此無人平臺(tái)轉(zhuǎn)向時(shí)應(yīng)改變發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性，在油門開度不變的情況下，避免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載增加而降低。直駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性如圖3所示，此時(shí)在油門開度不變時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載變化。

圖3 轉(zhuǎn)向工況下發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性曲線

3 無人平臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

人在控制車輛的行駛過程中，通過眼睛、耳朵、身體等感官感知車輛、環(huán)境信息，并通過大腦分析障礙物、路面等情況的方法，得到車輛的目標(biāo)速度和航向，并操縱油門、轉(zhuǎn)向、剎車等操縱裝置控制車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。下一時(shí)刻的車輛狀態(tài)和環(huán)境信息再被駕駛員感知形成了一個(gè)實(shí)時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)。對(duì)于無人駕駛車輛而言，需要自主感知車輛行駛環(huán)境，并選擇發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱最佳控制方式，發(fā)揮車輛的最佳性能。

無人履帶平臺(tái)在不同工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性的需求不同，需要發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)具有可變調(diào)速特性功能。機(jī)械調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)無法實(shí)時(shí)改變調(diào)速特性，需要將機(jī)械調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)改為電控。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件組成結(jié)構(gòu)如圖4所示，控制系統(tǒng)由傳感器、控制器和執(zhí)行器三部分組成。控制器通過CAN網(wǎng)絡(luò)與整車相關(guān)系統(tǒng)控制器進(jìn)行通信，電子控制單元(ECU)自主選擇控制模式并遵循系統(tǒng)閉環(huán)控制策略控制執(zhí)行器工作，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。此外，控制器時(shí)刻監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力和水溫狀態(tài)，當(dāng)冷卻水溫高于警戒線或機(jī)油壓力低于最低允許值時(shí)，將根據(jù)情況作出降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率或降低變速箱擋位等控制，并發(fā)出警報(bào)，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)在故障狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致?lián)p壞。

圖4 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造

原6150型發(fā)動(dòng)機(jī)使用的機(jī)械調(diào)速器采用離心式調(diào)速裝置，由油門拉桿力和轉(zhuǎn)子離心力二力平衡，共同作用決定供油齒桿開度。采用位置式控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行電控化改造只需去掉機(jī)械調(diào)速泵原有的離心式調(diào)速裝置，并使用電磁執(zhí)行器替代，無需對(duì)高壓油路、噴油器進(jìn)行變動(dòng)。電子調(diào)速器示意圖如圖5所示，執(zhí)行器選用具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)的比例電磁鐵，供油齒桿與執(zhí)行器推桿固連，并與回位彈簧共同組成調(diào)速系統(tǒng)。

圖5 執(zhí)行器示意圖

比例電磁鐵執(zhí)行器最大推力根據(jù)回力彈簧彈力選擇。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油泵出廠要求，供油齒桿伸出長(zhǎng)度應(yīng)大于17 mm，此時(shí)彈簧彈力為85 N。理想情況下，比例電磁鐵最大推力應(yīng)等于彈簧最大壓縮力，即執(zhí)行器通電電流最大時(shí)，供油齒桿伸出17 mm。但是彈簧剛度過大會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行器長(zhǎng)時(shí)間處于大電流工作，將產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路發(fā)熱的問題。因此本文選用最大推力為100 N的比例電磁鐵代替機(jī)械調(diào)速器控制供油齒桿移動(dòng)。調(diào)速系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖6所示，在44 ms時(shí)下發(fā)目標(biāo)指令，然后執(zhí)行器快速響應(yīng)并在88 ms時(shí)達(dá)到目標(biāo)位置，穩(wěn)定時(shí)間小于50 ms。

圖6 調(diào)速系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖

3.2 電控系統(tǒng)硬件組成

控制器ECU采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻水溫、機(jī)油壓力等信息，經(jīng)過軟件處理，輸出執(zhí)行器控制信號(hào)，并將采集到的信息通過CAN總線發(fā)送給上層控制系統(tǒng)。ECU硬件組成如圖7所示，電控系統(tǒng)微處理器使用的是飛思卡爾專為汽車電子設(shè)計(jì)的MPC5644A處理器?？刂破骶哂袃陕奉l率量輸入信號(hào)，以采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息。轉(zhuǎn)速傳感器采用的是磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，經(jīng)過頻率信號(hào)處理電路進(jìn)行濾波、限幅、整型后成為標(biāo)準(zhǔn)方波引入CPU。具有五路模擬量輸入信號(hào)，分別采集發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫、機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、供油齒桿位移和油門踏板開度信息。CPU通過計(jì)算，輸出PWM波，經(jīng)過功率放大電路后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器工作。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)ECU硬件組成

控制器擁有兩路CAN通信電路，一路用于向無人平臺(tái)CAN網(wǎng)發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、水溫、油壓等信息，并接收目標(biāo)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制指令，另一路用于調(diào)試。由于控制器經(jīng)常處于復(fù)雜電磁環(huán)境下工作，容易造成通信錯(cuò)誤增加，甚至損壞通信網(wǎng)絡(luò)，因此采用隔離式CAN總線收發(fā)器實(shí)現(xiàn)總線與控制器的完全隔離。為防止車輛啟動(dòng)時(shí)車載電源電壓波動(dòng)劇烈，使用具有寬電壓范圍降壓- 升壓開關(guān)穩(wěn)壓器的電源穩(wěn)壓模塊，可對(duì)輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，并輸出5 V電壓，有效解決了無人機(jī)動(dòng)平臺(tái)車載電源波動(dòng)的問題。

4 無人平臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)軟件架構(gòu)如圖8所示，包含發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信息的輸入和濾波處理、智能自動(dòng)啟停控制、運(yùn)行狀態(tài)切換、系統(tǒng)故障自診斷以及處理等功能。無人機(jī)動(dòng)平臺(tái)控制實(shí)質(zhì)是通過控制系統(tǒng)代替人進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)車輛的自主運(yùn)行，因此要求發(fā)動(dòng)機(jī)控制軟件識(shí)別車輛運(yùn)行狀態(tài)，自主選擇控制模式，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的智能調(diào)節(jié)。

圖8 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)軟件架構(gòu)

電控柴油機(jī)共有啟動(dòng)、停車、運(yùn)行和故障四種運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)處于停車狀態(tài)時(shí)，接收到上層系統(tǒng)下發(fā)的啟動(dòng)信號(hào)即進(jìn)入啟動(dòng)程序，啟動(dòng)成功后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行狀態(tài)分為平路直駛、轉(zhuǎn)向兩種主要控制模式，對(duì)應(yīng)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線和調(diào)速參數(shù)。平路直駛時(shí)控制軟件調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線與原機(jī)械調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線相同，可以與變速箱更好地匹配。履帶車輛轉(zhuǎn)向時(shí)所需發(fā)動(dòng)機(jī)功率遠(yuǎn)大于直駛，為保證車輛精確跟蹤目標(biāo)軌跡，應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，并盡可能減小調(diào)速率，在允許的情況下可以短時(shí)間提高發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率。控制系統(tǒng)還具有故障自診斷和處理功能，以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)避免長(zhǎng)時(shí)間在異常狀態(tài)下工作而損壞。

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冬季低溫環(huán)境下起動(dòng)困難，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生大量有害廢氣，且發(fā)動(dòng)機(jī)磨損大多在啟動(dòng)瞬間，因此啟動(dòng)控制是發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的重要部分。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制包括啟動(dòng)電機(jī)控制、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)、以及噴油量設(shè)置三個(gè)部分。啟動(dòng)控制邏輯如圖9所示，發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，接收到上層系統(tǒng)下發(fā)的啟動(dòng)信號(hào)，進(jìn)入啟動(dòng)控制循環(huán)。開啟啟動(dòng)電機(jī)繼電器。當(dāng)軟件檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過100 r/min時(shí)，即打開供油齒桿，供油齒桿開度根據(jù)溫度計(jì)算得到，溫度越低，齒桿開度越大，噴油量越高。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)開始供油，轉(zhuǎn)速迅速上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過300 r/min時(shí)，即進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，此時(shí)供油齒桿開度根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)速計(jì)算得到。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于650 r/min時(shí)，即認(rèn)為轉(zhuǎn)速啟動(dòng)成功，程序退出啟動(dòng)循環(huán)。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制流程圖

4.2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性控制

電控柴油機(jī)調(diào)速特性控制邏輯如圖10所示，包含調(diào)速特性選擇和調(diào)速計(jì)算兩部分。無人履帶平臺(tái)上層控制系統(tǒng)基于期望軌跡和車輛當(dāng)前狀態(tài)，計(jì)算出車輛油門、轉(zhuǎn)向角度指令，并通過CAN網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給整車控制器，隨后由整車控制器解析得到柴油機(jī)控制指令?？刂浦噶畎裼蜋C(jī)調(diào)速特性選擇及目標(biāo)油門開度，柴油機(jī)控制器根據(jù)控制指令選擇直駛工況或者轉(zhuǎn)向工況下的調(diào)速特性，最后進(jìn)行調(diào)速計(jì)算，得到柴油機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速。調(diào)速計(jì)算的方法采用逐次逼近法，每隔200 ms根據(jù)當(dāng)前柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載大小計(jì)算出下一時(shí)刻的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，不斷調(diào)節(jié)直到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定。

圖10 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性控制

4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)

如圖11所示，發(fā)動(dòng)機(jī)控制分為轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制兩種方式，以適應(yīng)車輛復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境。轉(zhuǎn)速控制采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)和齒桿位移閉環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。車輛在正常行駛過程中，要求發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)既有極高的響應(yīng)速度，又要有極短的穩(wěn)定時(shí)間和轉(zhuǎn)速精度。由于柴油機(jī)是一個(gè)非線性的、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，使用一套PID參數(shù)難以得到理想的控制效果，可以通過自適應(yīng)PID控制方法解決。在進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速計(jì)算前，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)速偏差和偏差變化率自動(dòng)選擇PID控制參數(shù)，以解決調(diào)速時(shí)超調(diào)較大、穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)以及怠速轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定等方面的問題。當(dāng)車輛處于換擋結(jié)束離合器接合工況或處于上坡、轉(zhuǎn)向工況時(shí)，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)快速響應(yīng)需要使用轉(zhuǎn)矩控制模式。轉(zhuǎn)矩控制直接通過齒桿位移PID閉環(huán)控制供油齒桿開度，為避免發(fā)動(dòng)機(jī)飛車，此模式需在離合器接合時(shí)使用。

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制流程圖

噴油泵供油齒桿使用比例電磁鐵控制，齒桿伸出位置和控制器電流輸入可以簡(jiǎn)化為比例+積分+純滯后環(huán)節(jié)，此類控制對(duì)象通常采用PID控制。為克服傳統(tǒng)PID控制算法需要對(duì)每次測(cè)量的偏差值進(jìn)行累加的不足，采用增量式PID算法：

Δu(k)=Kp(ek-ek-1)+Kiek+
Kd(ek-2ek-1+ek-2)
uk=uk-1+Δu(k)

(5)

式中：Δu(k)為每次計(jì)算得到的控制量偏差；uk為控制量；ek為控制量和目標(biāo)值之間的偏差；Kp、Ki、Kd為PID控制參數(shù)。

4.4 DBR油量限制

DBR油量限制用于控制柴油機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的最高輸出功率。通過采集柴油機(jī)最大扭矩點(diǎn)、最大功率點(diǎn)供油齒桿位移，繪制DBR油量限制曲線。此外考慮到低轉(zhuǎn)速時(shí)容易燃燒不完全，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 000 r/min時(shí)，將供油齒桿位移限制為13 mm。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速超過2 300 r/min時(shí)，加入超速保護(hù)功能，進(jìn)行斷油處理。DBR油量限制曲線如圖12所示。

圖12 DBR油量限制曲線

4.5 發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷保護(hù)功能

發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷和保護(hù)功能是保障發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要功能，縱觀無人車輛比賽與使用，無人機(jī)動(dòng)平臺(tái)由于傳動(dòng)系統(tǒng)配合不當(dāng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作于高負(fù)荷區(qū)間，且缺乏保護(hù)措施而使發(fā)動(dòng)機(jī)損壞的問題頻頻出現(xiàn)，因此加入發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷處理功能至關(guān)重要。

如圖13所示，發(fā)動(dòng)機(jī)控制程序每100 ms進(jìn)行一次故障檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)問題，則根據(jù)其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的影響共有四種處理方式：當(dāng)檢測(cè)到水溫、油壓傳感器數(shù)據(jù)異常時(shí)，車輛仍可以正常行駛，僅發(fā)出異常警報(bào)；當(dāng)冷卻水溫高于105 ℃時(shí)，說明發(fā)動(dòng)機(jī)處于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出，待水溫降低后恢復(fù)；若發(fā)動(dòng)機(jī)水溫超過110 ℃或機(jī)油壓力低于0.25 MPa，此時(shí)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損害，僅允許車輛以最低速度行駛到維修處；若發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力低于0.08 MPa，此時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)造成極大損壞，應(yīng)立即停車處理。

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)故障處理程序

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證電控系統(tǒng)控制性能是否滿足無人裝備機(jī)動(dòng)平臺(tái)的需求，搭建了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，以驗(yàn)證電子調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的調(diào)速特性，最后進(jìn)行實(shí)車直駛和轉(zhuǎn)向兩種工況的試驗(yàn)。

5.1 直駛狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)直駛狀態(tài)下調(diào)速特性模仿原機(jī)械式發(fā)動(dòng)機(jī)，為驗(yàn)證此時(shí)電子調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性，將電調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，利用水力測(cè)功機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行加載?？刂婆_(tái)通過控制水門開度控制負(fù)載大小，并可以實(shí)時(shí)顯示此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩信息，試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過串口通信與采集電腦連接，采集頻率為50 Hz。使用電腦控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門信號(hào)，分別測(cè)定不同油門開度下的特性曲線。試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示，與原機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果相差4%以內(nèi)，可以認(rèn)為具有相同的調(diào)速特性。

圖14 發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性曲線圖

5.2 轉(zhuǎn)向工況下發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

車輛轉(zhuǎn)向時(shí)功率遠(yuǎn)大于直駛功率，相當(dāng)于突然施加負(fù)載，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)快速反應(yīng)并回到初始轉(zhuǎn)速。為驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，通過測(cè)功機(jī)快速施加負(fù)載檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速性能。圖15所示為發(fā)動(dòng)機(jī)處于1 300 r/min時(shí)突加突卸500 N·m載荷的試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。數(shù)據(jù)圖分為上下兩部分，下圖曲線表示發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載變化，上圖曲線表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化。從圖中可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)在外界負(fù)載變化后快速響應(yīng)，并迅速恢復(fù)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速波動(dòng)率小于10%，可以保證無人平臺(tái)轉(zhuǎn)向時(shí)速度恒定。

圖15 發(fā)動(dòng)機(jī)載荷突變?cè)囼?yàn)

5.3 實(shí)車加速測(cè)試

將改裝后的電調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在無人平臺(tái)上進(jìn)行直線加速試驗(yàn)。試驗(yàn)在干燥、平坦的水泥路段上進(jìn)行，從靜止加速至25 km/h，使用專用采集電腦采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖16所示。車輛從靜止開始加速，并變換三次擋位，發(fā)動(dòng)機(jī)在每次離合器接合時(shí)均進(jìn)行調(diào)速以適應(yīng)變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速，在換擋期間，變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速隨車速勻速下降。由圖16可以看出，除了在起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速被拉低外，換擋結(jié)束離合器接合時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速基本一致，離合器接合快速平穩(wěn)，極大地提高了離合器接合速度，減小了換擋沖擊和換擋過程中車輛的動(dòng)力損失，提高了整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

圖16 車輛加速曲線

5.4 實(shí)車轉(zhuǎn)向測(cè)試

對(duì)無人履帶車輛進(jìn)行直角彎轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，轉(zhuǎn)向前車速固定為10 km/h，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在940 r/min左右，油門開度為21%。車速穩(wěn)定后將左側(cè)轉(zhuǎn)向操縱桿拉到第一位置，直到車身轉(zhuǎn)過90°。轉(zhuǎn)向過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖17所示，拉動(dòng)轉(zhuǎn)向操縱桿后，由于轉(zhuǎn)向阻力遠(yuǎn)大與直駛阻力，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性為轉(zhuǎn)向時(shí)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)向過程中油門開度保持21%不變，控制器快速調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)過約1 s后重新穩(wěn)定在940 r/min。

圖17 車輛轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

6 結(jié)論

本文依托某型履帶車輛改造的無人平臺(tái)，通過分析履帶平臺(tái)轉(zhuǎn)向和直駛兩種工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性的需求，提出在直駛時(shí)使用原機(jī)械調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性，在轉(zhuǎn)向時(shí)改變發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性，避免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載增加而降低。對(duì)原機(jī)械調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行電控化改造。設(shè)計(jì)控制器以使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具有可變調(diào)速特性功能。改裝后電調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)通過試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試，直駛工況下與原機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性相差4%以內(nèi)；轉(zhuǎn)向工況下外界負(fù)載變化后快速響應(yīng)，并迅速恢復(fù)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速波動(dòng)率小于10%。對(duì)安裝電控柴油機(jī)的無人履帶平臺(tái)進(jìn)行加速和轉(zhuǎn)向測(cè)試，結(jié)果表明控制系統(tǒng)滿足無人車輛對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制性能的需求。