葉劍剛 王玉龍 趙明 毛小玲 尹凌鵬 徐峰

摘要：本研究基于側翻機理以及叉車結構分析的前提下，設計以防側傾液壓油缸為控制執(zhí)行元件，進而為系統(tǒng)提供側向支撐力，并且進一步提出基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡理論的防側翻分層控制方法，通過分層實現(xiàn)叉車防側翻控制，其上層利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡理論來判斷叉車的運行情況，可作為下層控制的重要參考中層控制。則結合叉車運行狀態(tài)劃分選擇有效策略，下層作為執(zhí)行層，能夠通過不同策略執(zhí)行動作與輸出控制模型。通過實車實驗結果和仿真分析結果表明，在本研究中對于叉車處于特殊工況所提出的方法，能夠實現(xiàn)安全域劃分，其對于叉車運行安全來說具有重要意義。

關鍵詞：平衡重式叉車;防側翻;分層控制;分析

中圖分類號：U294.27+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0055-02

0? 引言

近年來隨叉車的應用其安全性受到了車輛行業(yè)的高度重視，結合OSHA研究表明，美國每年出現(xiàn)事故的數(shù)量占總叉車10%，從一定程度上會給其帶來較大的經(jīng)濟損失，同時也會威脅駕駛人員的生命健康。而在叉車事故中42%是由于叉車側放的導致的，因此需高度重視叉車防側翻安全控制。整體來看，叉車的車身穩(wěn)定區(qū)域是地面與前橋左右輪胎接觸中心點以及車架鉸接點和后橋構成的三角區(qū)域，在叉車處于緊急轉向時，由于重心偏移會導致叉車出現(xiàn)側翻。國內(nèi)外對于叉車防側翻控制研究包括利用保護預測方式，預測叉車行駛在叉車運行過程中判斷其俯仰角和傾斜角是否會側翻，以確保叉車時間穩(wěn)定運行。根據(jù)叉車線控轉向系統(tǒng)特性，結合車速和手柄轉速設定轉向比，在行駛叉車時增加轉向阻尼力，以提高動態(tài)特性。本研究通過分析叉車的結構構成以及基于橫向失穩(wěn)機理為前提，在車身和叉車轉向橋兩者之間增加油缸，實現(xiàn)防側翻控制，可提高叉車支撐面積，提出基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡理論的分層控制法，能夠將其分為上層、中層和下層，其分別對應辨識層、控制層以及執(zhí)行層。在叉車處于緊急供貨條件下，能夠提高其運行安全性。

1? 叉車轉向

從理論上來看應當確保轉向車輪能夠進行純滾動且不會出現(xiàn)滑動，進而減少磨損，降低阻力。為此在叉車轉向時要求兩個轉向車輪直線速度垂線能夠相交于一點，即瞬時轉彎中心。針對平衡叉車轉彎中心為前橋中心線和兩轉向輪各自中心線延長焦點。

在叉車轉向過程中內(nèi)輪偏轉角應當高于外轉向輪，其滿足下列公式：

由于轉向機構對于叉車整車中心是保持對稱結構的，因此可構建單側轉向輪的空間運動。

轉向橋兩轉向主銷距離為M，轉向輪的外輪偏轉角以及內(nèi)輪偏轉角分別為α、β，轉向橋在運動過程中上下偏轉角為r，轉向輪的斷面寬外直徑分別為W、R，銷軸和輪胎的外側距離為L。根據(jù)運動軌跡，同時結合叉車轉向輪和轉向橋相關參數(shù)，即能夠獲得叉車的轉向輪包絡圖。

2? 叉車側翻理論分析

叉車采用前驅動后轉向的方式進行底盤布置，在處于正常行駛狀態(tài)下，叉車的車身會沿著橫向傾斜角，其范圍為2～3度，一旦出現(xiàn)橫向失穩(wěn)會使沿前驅動輪外側連接地面中心點以及轉向橋鉸接軸中心點兩者之間的連線出現(xiàn)傾斜，這種情況下會減小叉車轉向內(nèi)輪的接地壓力，進而使中心出現(xiàn)外移，叉車的4輪在未離地的基礎上，如果沒有采取有效的防側翻控制策略，會導致叉車的內(nèi)側車輪接地壓力減小，甚至會出現(xiàn)車輪離地的問題，進一步會沿著外側車輪連接地面中心連線，出現(xiàn)叉車側翻現(xiàn)象。車輛重心是車輛穩(wěn)定性的重要因素，如圖1所示，車輛穩(wěn)定區(qū)為ABC三角形區(qū)。

在搬運貨物的過程中，平衡重式叉車重心會隨貨物高度發(fā)生變化，根據(jù)圖1可以發(fā)現(xiàn)，一旦叉車的重心向外部轉移到達AE連接線，這種情況下會降低叉車的運行穩(wěn)定性和安全性。為確保叉車能夠實現(xiàn)橫向穩(wěn)定，可采取有效措施確保叉車的重心能夠處于三角形區(qū)，在處于叉車危險運行情況下，能夠鎖定后橋與車身，進而使叉車穩(wěn)定區(qū)域，由三角形區(qū)域轉變?yōu)锳VDC區(qū)，進而提升其安全運行。

3? 設計防側傾液壓油缸

根據(jù)上述原理可以發(fā)現(xiàn)，進一步增加叉車的穩(wěn)定區(qū)域面積，改變重心位置能夠在剎車處于緊急運行情況下，提高叉車防側翻能力，確保駕駛人員安全駕駛。綜合國內(nèi)外研究本研究提出雙向防側翻液壓油缸，能夠為叉車提供抗拉伸力以及支撐力，在車身和后橋位置進行單側安裝。

在叉車出現(xiàn)傾斜時，利用液壓油缸能夠為叉車提供側向支撐力，進而使三角形穩(wěn)定區(qū)轉變?yōu)樘菪涡螤睢?/p>

在具體設計過程中控制防噪油缸電磁閥為常閉閥，在啟動叉車后打開電磁閥，運行頻率為750赫茲，采用脈沖寬度調制信號及pwm的占空比進行電磁閥調節(jié)，以改變防側翻液壓油缸的運行模式。一般來說有三種方式：第一，電磁閥輸出信號為70%Pwm信號，這種情況下為最大電磁閥開度，能夠自由移動液壓油缸的活塞并且能夠使液壓缸左右腔連通，進而通過電磁閥節(jié)流孔確保左右腔連通，由于受到節(jié)流因素的影響，導致油缸活塞運行速度逐漸變慢，緩沖閥會吸收壓力，在不平整路面行駛過程中叉車壓油缸能夠起到支撐作用，進而提升叉車在不平整路面行駛中橫向穩(wěn)定性。第二，電磁閥的控制信號為0%的pwm信號，這種情況下電磁閥彈簧作用力其能夠將頂針退回原有位置，此時電磁閥權并可以鎖定液壓油缸，在車身和后調位置形成剛性連接，車身能夠受到4個車輪支撐，進而提高車輛的橫向穩(wěn)定性。第三，電磁閥控制信號為0～70%的pwm信號，這種情況下電磁閥處于開閉中間狀態(tài)，液壓油缸活塞能夠實現(xiàn)良好運動，但具有較大阻力。

4? 模型構建

門架模型構建。對于叉車來說，其門架包含鏈條、鏈輪、起升油缸、內(nèi)外門架、貨叉、安裝架以及傾斜油缸。在構建叉車門架時僅需考慮不同元部件的運動副屬關系。本研究在模型構件中可簡化門架的結構模型，去除鏈輪、鏈條，對部分物件約束關系進行定義后，可獲得門架的完整虛擬模型。在該模型中能夠將貨叉上下約束關系設置為門架與貨叉的平行運動副，在門架兩側后部位置設置，能夠促使門架前后保持運動的傾斜油缸，其前傾角度為3～6度，后仰角度為10～13度。設置前后俯仰角度能夠確保叉車便于叉取和堆放貨物。

第一，構建轉向機構的模型。在初期構建叉車轉向機構模型其準確度是否與實際需求接近，需要通過模型驗證和參數(shù)優(yōu)化，根據(jù)叉車轉向機構阿克曼理論，在叉車處于轉向過程中，為確保車輪保持純滾動運動，要求轉向機構需滿足下列公式：

在上述公式中，外輪以及內(nèi)輪轉角分別用α、β進行表示，內(nèi)外輪和前后輪的間距為M和L，在參數(shù)優(yōu)化中要求叉車在處于兩種情況下，轉向輪外輪轉角差值絕對值較小，通過參數(shù)優(yōu)化，能夠利用仿真軟件進行程序仿真分析，獲得經(jīng)優(yōu)化之后的誤差數(shù)據(jù)。根據(jù)研究通過多次仿真優(yōu)化使優(yōu)化目標逐漸歸零。構建整車模型。需結合合力叉車參數(shù)來構建整車模型，在建模時需簡化叉車結構，比如針對叉車機械結構和簡化或者剔除，在門架建模過程中無需考慮發(fā)動機以及傳動系統(tǒng)等相關結構。而對于叉車其實際采用前后輪的型號分別為6.5-10-10PR以及2yx91512PP，在整車模型構件中可利用輪胎模型fiala。

第二，模型仿真分析。在構建叉車整車虛擬模型后，在圓周工況條件下進行叉車模型仿真，可在計算機軟件Adams中進行仿真工況的設置，設置叉車轉向角能夠促使叉車開展圓周運動，改變車速之后獲得叉車與圓周運動軌跡。在具體仿真時，能夠獲得實際叉車在進行圓周工況時的車身側傾角以及仿真獲得的車身側傾角，將數(shù)值進行比較，根據(jù)該結果可以發(fā)現(xiàn)，利用軟件進行仿真分析，獲得的結果是與實際工況下叉車結果相吻合的，因此可將所構建叉車整車模型為仿真控制對象。

5? 叉車的運行狀態(tài)分級

對于叉車在開展防側翻分層控制理論中，結合叉車的側向加速度、貨叉高度、載荷能夠將叉車分為一級、二級和三級狀態(tài)，分別對應絕對安全、安全邊界和危險狀態(tài)。一級狀態(tài)是指叉車實現(xiàn)穩(wěn)定運行且無側翻危險;二級狀態(tài)是指叉車面臨一定側翻危險，并逐漸向危險狀態(tài)轉變，要求采取合理控制措施，防止出現(xiàn)側翻;三級狀態(tài)是指叉車前輪出現(xiàn)一定程度側翻或者在較大的側翻概率，需采取有效措施。然而在叉車行駛狀態(tài)劃分過程中及界限模糊，并且叉車貨叉高度，載荷以及側向加速度等參數(shù)，對于側翻產(chǎn)生的風險是不確定的，但不同參數(shù)之間具有關聯(lián)性，如果叉車運行速度較快則側翻概率越大，側向加速度數(shù)值越高。如果X高度越高死時叉車所面臨的大的側翻風險在處于一定范圍內(nèi)。此時叉車運行越穩(wěn)定，當貨叉高度達到一定范圍時，在此時，叉車則面臨較大的側翻風險的研究利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡來識別叉車運行情況，輸入量為上述三種參數(shù)輸出則表示叉車運行狀態(tài)。

6? 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡是融合神經(jīng)系統(tǒng)以及某個系統(tǒng)考慮兩者互補性，結合模糊控制理論推理和神經(jīng)網(wǎng)絡學習機制，人類思維，能夠為傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡輸入量以及權重進行模糊化處理。利用該模型全局輸出最優(yōu)化數(shù)學公式。在多變量系統(tǒng)處理過程中能夠減少模糊變量，同時利用該方法能夠實現(xiàn)模型自動更新，確保模糊子及隸屬度函數(shù)實現(xiàn)連續(xù)性變化。本研究主要針對叉車貨叉高度，載荷以及側向加速度三個參數(shù)進行模糊化處理，進而預測叉車的運行狀態(tài)。在具體開展中需通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡進行系統(tǒng)系數(shù)優(yōu)化，將實際值與期望輸出值比較，通過誤差實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化減小兩者誤差，進而使神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)實際值與輸出值更加接近。系統(tǒng)輸出結果準確度與樣本訓練次數(shù)，學習量是成正相關關系的，數(shù)據(jù)量越大，開展越多的訓練次數(shù)，其結果更加精確。為確保所構建模型準確要求提供較多的樣本數(shù)量，需進行叉車連續(xù)性測試。每種樣品含40個樣本，不同樣本能夠表示不同操作下叉車高度、載荷和側向加速度的數(shù)值，選擇20個樣本為測試數(shù)據(jù)，通過測試檢測模糊神經(jīng)網(wǎng)絡準確度，對叉車運行情況進行準確識別預測。

7? 結語

總而言之，本研究針對叉車防側翻提出基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的分層控制法。利用我國神經(jīng)網(wǎng)絡來識別叉車的運行狀態(tài)。通過研究發(fā)現(xiàn)本研究所提出的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡叉車防側翻封層理論能夠準確識別叉車的運行情況，在極限工況條件下，能夠提升叉車的運行安全性，防止出現(xiàn)側翻。

參考文獻：

[1]張洋，夏光，杜克，等.基于變論域模糊控制的平衡重式叉車防側翻控制研究[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2019， 042（007）：881-887.

[2]謝海，夏光，杜克，等.基于橫向載荷轉移率的叉車橫向穩(wěn)定性分級控制[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2019，042（002）：161-166.

[3]夏光，杜克，謝海，等.基于側傾分級的叉車橫向穩(wěn)定性變論域模糊控制[J].機械工程學報，2019.