基于神經網絡的履帶車輛起伏路面最大行駛速度預測

段譽 謝歡

摘 要：為了對履帶車輛在起伏路面行駛時的最大車速進行預測，提出了一種結合多體動力學建模理論、試驗設計和近似模型的計算方法，結果表明：隨著路面不平度系數和車速的提升，車輛受到的振動響應相應增加；本文提出的方法可以直接高效地計算車輛通過已知不平度系數的起伏路面時的最大行駛速度。

關鍵詞：履帶車輛；仿真；近似模型；速度預測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.175

不同路面種類對履帶車輛的越野行駛造成的影響各不相同，其中起伏路面最為常見[1]。預測車輛受路面不平度限制的最大行駛速度，是開展機動性評估的一種重要方法。

本文依托履帶車輛多體動力學模型進行仿真計算，確定限制起伏路面車速的振動響應評價指標，建立近似模型對車輛在不同等級路面的最大行駛速度進行預測。該模型全面考慮了各等級路面的影響和不同振動響應指標對車速的限制，較好地平衡了計算精度和耗費的資源。

1 履帶車輛動力學仿真計算

為了準確反映履帶車輛的通過各等級起伏路面的振動特性，建立底盤系統多體動力學模型和隨機路面數學模型，采用試驗設計的方法進行大量仿真計算，將計算結果轉化為三種振動評價指標。

1.1 履帶車輛底盤系統動力學模型

以某型高速履帶車輛為例，建立動力學模型時，將所有部件假設為剛體。其中，上裝、動力傳動系統與車體合并為一個剛體；行動系統簡化為主動輪、負重輪、托帶輪、誘導輪、履帶張緊機構、履帶以及彈性阻尼元件等。各部件之間通過旋轉副、球副等運動副和接觸力、彈簧阻尼力等進行約束，得到完整約束系統，建立如圖1所示的履帶車輛底盤系統動力學模型[2]。

1.2 履帶車輛起伏路面振動響應評價指標

履帶車輛在崎嶇道路行駛時，隨著車速的升高，車輛通常會發生劇烈的振動[3]。因此，履帶車輛在起伏路面的最大行駛速度可以通過車輛或者乘員承受振動的極限來確定。

車輛行駛產生的振動響應可以從乘員舒適性、吸收功率標準和懸掛動行程等三個方面進行評價，其中乘坐舒適性的要求乘員座椅處振動加速度加權總均方根值；吸收功率標準對應的極限垂向加權加速度均方根值為0.69；

避免“懸掛擊穿”需滿足第一負重輪動行程的均方根值的門限值為0.12。

1.3 基于試驗設計的仿真計算

以路面不平度與車速為設計變量，采用近似模型替代原有復雜模型可以大量減少仿真次數，并直觀地描述路面不平度與車速之間的數學關系。采用最優拉丁超立方設計在路面不平度系數和車速ν的取值范圍內選取20組樣本點，圖2為選取的樣本點分布示意圖。

2 起伏路面最大行駛速度預測

2.1 徑向基神經網絡近似模型

采用徑向基神經網絡模型該模型替代復雜車輛系統動力學模型描述路面不平度與車速間的數學關系。

以三種振動響應評價指標為目標函數、路面不平度和車速為設計變量，將20組仿真結果代入神經網絡模型完成訓練，得到設計變量與目標函數間的近似模型如圖3所示。

2.2 履帶車輛最大行駛速度預測模型

根據近似模型求解最大行駛速度的過程可以簡化為隱式約束優化問題：以路面不平度系數G為變量，以振動響應量為約束，求解目標函數車速v的全局最優解。因此，履帶車輛在起伏路面下的最大行駛速度計算模型可以表示為：

以路面不平度均值處為例，代入近似模型中得到車速與三種振動響應量之間的關系曲線如圖4所示，由式（5）計算得到最大行駛速度為v=6.23m/s。

3 結論

利用履帶車輛動力學仿真計算結果建立了基于神經網絡的近似模型，提出了履帶車輛在起伏路面下最大車速的預測方法，得到了路面不平度系數與車速間的數學關系，可以直接高效地計算已知路面譜路面的最大車速。

參考文獻：

[1]丁法乾.履帶式裝甲車輛懸掛系統動力學[M].北京：國防工業出版社，2004：67-77.

[2]孟磊，李曉雷，邱實等.履帶對履帶車輛車體振動影響的分析[J].車輛與動力技術，2015（04）：1-5.

[3]王欽龍，王紅巖，芮強.基于多目標遺傳算法的高速履帶車輛動力學模型參數修正研究[J].兵工學報，2016，37（06）：969-978.

作者簡介：段譽（1994-），男，湖北黃岡人，碩士研究生在讀，主要研究方向：裝甲車輛仿真。