電動叉車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動轉(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)角控制電動叉車進(jìn)行轉(zhuǎn)向動作。而主動轉(zhuǎn)向控制策略則是在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對橫擺角速度、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，同時也能夠大大提升電動叉車的轉(zhuǎn)向靈活性。

1 電動叉車的轉(zhuǎn)向性能要求

1.1 轉(zhuǎn)向靈活性

一般來說，電動叉車的轉(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)彎時所需的空間也會越小，其面對狹窄環(huán)境時的轉(zhuǎn)向靈活性自然就會大好，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)到一個閾值，那么叉車就很容易發(fā)生測滑或甩尾等事故，橫擺角速度越大，叉車的穩(wěn)定性就會越好，叉車轉(zhuǎn)向時的靈活性同樣會更強(qiáng)。但需要注意的是，叉車轉(zhuǎn)向時轉(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，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，其對于方向盤的把控也不夠準(zhǔn)確，因此，過高的橫擺角速度以及過小的轉(zhuǎn)彎半徑很容易導(dǎo)致過度轉(zhuǎn)向，從而給叉車行駛帶來危險，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)動性能。

1.2 操作穩(wěn)定性

電動叉車的操作穩(wěn)定性是指叉車在行駛過程中，其實際轉(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)本身會根據(jù)電子控制器對綜合情況進(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，電動叉車在行駛過程中很容易受到外界因素的干擾，而叉車在轉(zhuǎn)向時能夠有效地抵抗干擾，保持穩(wěn)定的行駛，也同樣是影響電動叉車操作穩(wěn)定性的重要因素。從整體上看，電動叉車的操作穩(wěn)定性會受到質(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)偏角則會對橫擺角速度的反應(yīng)效果造成影響。

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

2.1 解耦控制策略

電動叉車的穩(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)化這兩個量的力學(xué)特征。通過這種控制算法能將質(zhì)心偏角減小趨近零，從而提高電動叉車在轉(zhuǎn)向過程中的穩(wěn)定性。根據(jù)三輪二度動力方程：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。

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

電動叉車轉(zhuǎn)向在解耦控制中還存在相應(yīng)的缺點，致使叉車發(fā)生劇烈的擺動。可通過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，對其中的補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提高電動叉車在轉(zhuǎn)向過程中的穩(wěn)定性以及動力性能。

2.2 前后輪等角反向轉(zhuǎn)動控制策略

對于叉車前后輪的等角反轉(zhuǎn)方面的控制，需要駕駛員經(jīng)過長期工作總結(jié)出具體經(jīng)驗，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。對于此部分的控制核心內(nèi)容是將電動叉車在瞬間轉(zhuǎn)動時的軸心時刻保持在沿車體豎向中心所處的水平線上。在對前后輪的等角轉(zhuǎn)向控制方面，不但可以在很大程度上縮短電動叉車轉(zhuǎn)彎過程的半徑，而且還能提升其在行駛過程的靈敏程度，利于叉車處于低速運(yùn)行時機(jī)動性能的提高。在前后輪的等角轉(zhuǎn)向控制上，要符合電動叉車在運(yùn)行時的阿克曼定理。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，同時還保障了叉車輪胎和地面之間保持純滾動的形態(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

以電動叉車保持15km/h 的速度為例。其解耦以及對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)通過后輪的等角轉(zhuǎn)動對叉車轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制時，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0.657s。當(dāng)使用叉車前輪的等角轉(zhuǎn)動對其轉(zhuǎn)向控制時，其橫擺角速最高值維持在0.517rad/s，到達(dá)目的地用時0.648s。叉車解耦控制時，橫擺角速最大值在0.281rad/s，到達(dá)目的地用時0.557s。由此可以看出，在解耦控制下，其反應(yīng)所需時間更短，因此，解耦控制有速度上的優(yōu)勢，對橫擺角速也有較好的控制效果。

3.2 高速斜坡工況

以電動叉車保持15km/h 的速度為例。在2s 以內(nèi)的仿真時間，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。使用前后輪的反轉(zhuǎn)控制時，質(zhì)心偏角的值是-0.115rad/s。使用后輪向控制時，質(zhì)心偏角處于-0.144rad/s，相比之下，質(zhì)心偏角的絕對值降低了。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，能夠改善叉車發(fā)生側(cè)偏的現(xiàn)象。從橫擺角速方面來看，后輪的轉(zhuǎn)向控制時，橫擺角速處于0.382rad/s。當(dāng)前后輪的等角反轉(zhuǎn)控制時，橫擺角速的值在0.575rad/s，解耦控制通過仿真達(dá)到了比之前更小的角速度，值為0.285rad/s。通過以上數(shù)據(jù)也可以看出，在解耦控制時，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

以電動叉車保持5km/h 的速度為例。在前2s 時間內(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，質(zhì)心偏角反應(yīng)速度更加快速，其穩(wěn)定時的值是-0.072rad/s。后輪轉(zhuǎn)向控制時，質(zhì)心偏角穩(wěn)定時的值是-0.115rad/s，質(zhì)心偏角的穩(wěn)態(tài)絕對值減小，由此可以看出，通過前后輪對叉車的等角反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制改善了質(zhì)心偏角較大的問題。針對橫擺角速，使用后輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制時，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，數(shù)值維持在0.215rad/s。當(dāng)解耦控制時，其數(shù)值維持在0.181rad/s。通過以上數(shù)據(jù)可以看出，這兩種控制方式都能降低電動叉車低速行駛過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能性能的角度分析，使用以上兩種方式都能實現(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。

3.4 低速正弦工況

以電動叉車保持5km/h 的速度為例。針對低速狀態(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)行過程中質(zhì)心偏角的值。當(dāng)解耦控制時，其質(zhì)心偏角依然處于較低值，幾乎趨近于0，同時也說明，解耦控制條件下能提高電動叉車的機(jī)動性能，還提高了其操作的穩(wěn)定性。當(dāng)使用后輪轉(zhuǎn)向控制時，其橫擺角速最高值是0.138rad/s，用時0.569s。使用前后輪的等角反轉(zhuǎn)控制時，最高值為0.211ad/s，用時0.555s。使用解耦控制，最高值為0.178ad/s，到達(dá)時間0.554s。在低速仿真時，解耦控制的速度更快。

5 結(jié)語

綜上所述，對電動叉車轉(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。通過以上對解耦和前后輪等角反向轉(zhuǎn)動控制兩方面分析了電動叉車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動轉(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，希望為相關(guān)設(shè)計人員提供思路，完善設(shè)計叉車的使用性能。