葉劍剛 王玉龍 趙明 毛小玲 尹凌鵬 徐峰

摘要：本研究基于側(cè)翻機(jī)理以及叉車結(jié)構(gòu)分析的前提下，設(shè)計(jì)以防側(cè)傾液壓油缸為控制執(zhí)行元件，進(jìn)而為系統(tǒng)提供側(cè)向支撐力，并且進(jìn)一步提出基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的防側(cè)翻分層控制方法，通過分層實(shí)現(xiàn)叉車防側(cè)翻控制，其上層利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論來判斷叉車的運(yùn)行情況，可作為下層控制的重要參考中層控制。則結(jié)合叉車運(yùn)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(dòng)作與輸出控制模型。通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真分析結(jié)果表明，在本研究中對(duì)于叉車處于特殊工況所提出的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)安全域劃分，其對(duì)于叉車運(yùn)行安全來說具有重要意義。

關(guān)鍵詞：平衡重式叉車;防側(cè)翻;分層控制;分析

中圖分類號(hào)：U294.27+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0055-02

0? 引言

近年來隨叉車的應(yīng)用其安全性受到了車輛行業(yè)的高度重視，結(jié)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(huì)給其帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也會(huì)威脅駕駛?cè)藛T的生命健康。而在叉車事故中42%是由于叉車側(cè)放的導(dǎo)致的，因此需高度重視叉車防側(cè)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(diǎn)以及車架鉸接點(diǎn)和后橋構(gòu)成的三角區(qū)域，在叉車處于緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，由于重心偏移會(huì)導(dǎo)致叉車出現(xiàn)側(cè)翻。國內(nèi)外對(duì)于叉車防側(cè)翻控制研究包括利用保護(hù)預(yù)測(cè)方式，預(yù)測(cè)叉車行駛在叉車運(yùn)行過程中判斷其俯仰角和傾斜角是否會(huì)側(cè)翻，以確保叉車時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)叉車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性，結(jié)合車速和手柄轉(zhuǎn)速設(shè)定轉(zhuǎn)向比，在行駛叉車時(shí)增加轉(zhuǎn)向阻尼力，以提高動(dòng)態(tài)特性。本研究通過分析叉車的結(jié)構(gòu)構(gòu)成以及基于橫向失穩(wěn)機(jī)理為前提，在車身和叉車轉(zhuǎn)向橋兩者之間增加油缸，實(shí)現(xiàn)防側(cè)翻控制，可提高叉車支撐面積，提出基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的分層控制法，能夠?qū)⑵浞譃樯蠈印⒅袑雍拖聦?，其分別對(duì)應(yīng)辨識(shí)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(yùn)行安全性。

1? 叉車轉(zhuǎn)向

從理論上來看應(yīng)當(dāng)確保轉(zhuǎn)向車輪能夠進(jìn)行純滾動(dòng)且不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)，進(jìn)而減少磨損，降低阻力。為此在叉車轉(zhuǎn)向時(shí)要求兩個(gè)轉(zhuǎn)向車輪直線速度垂線能夠相交于一點(diǎn)，即瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎中心。針對(duì)平衡叉車轉(zhuǎn)彎中心為前橋中心線和兩轉(zhuǎn)向輪各自中心線延長焦點(diǎn)。

在叉車轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)輪偏轉(zhuǎn)角應(yīng)當(dāng)高于外轉(zhuǎn)向輪，其滿足下列公式：

由于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)于叉車整車中心是保持對(duì)稱結(jié)構(gòu)的，因此可構(gòu)建單側(cè)轉(zhuǎn)向輪的空間運(yùn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)向橋兩轉(zhuǎn)向主銷距離為M，轉(zhuǎn)向輪的外輪偏轉(zhuǎn)角以及內(nèi)輪偏轉(zhuǎn)角分別為α、β，轉(zhuǎn)向橋在運(yùn)動(dòng)過程中上下偏轉(zhuǎn)角為r，轉(zhuǎn)向輪的斷面寬外直徑分別為W、R，銷軸和輪胎的外側(cè)距離為L。根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)結(jié)合叉車轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向橋相關(guān)參數(shù)，即能夠獲得叉車的轉(zhuǎn)向輪包絡(luò)圖。

2? 叉車側(cè)翻理論分析

叉車采用前驅(qū)動(dòng)后轉(zhuǎn)向的方式進(jìn)行底盤布置，在處于正常行駛狀態(tài)下，叉車的車身會(huì)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(huì)使沿前驅(qū)動(dòng)輪外側(cè)連接地面中心點(diǎn)以及轉(zhuǎn)向橋鉸接軸中心點(diǎn)兩者之間的連線出現(xiàn)傾斜，這種情況下會(huì)減小叉車轉(zhuǎn)向內(nèi)輪的接地壓力，進(jìn)而使中心出現(xiàn)外移，叉車的4輪在未離地的基礎(chǔ)上，如果沒有采取有效的防側(cè)翻控制策略，會(huì)導(dǎo)致叉車的內(nèi)側(cè)車輪接地壓力減小，甚至?xí)霈F(xiàn)車輪離地的問題，進(jìn)一步會(huì)沿著外側(cè)車輪連接地面中心連線，出現(xiàn)叉車側(cè)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(yùn)貨物的過程中，平衡重式叉車重心會(huì)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(zhuǎn)移到達(dá)AE連接線，這種情況下會(huì)降低叉車的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。為確保叉車能夠?qū)崿F(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(xiǎn)運(yùn)行情況下，能夠鎖定后橋與車身，進(jìn)而使叉車穩(wěn)定區(qū)域，由三角形區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)锳VDC區(qū)，進(jìn)而提升其安全運(yùn)行。

3? 設(shè)計(jì)防側(cè)傾液壓油缸

根據(jù)上述原理可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)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(yùn)行情況下，提高叉車防側(cè)翻能力，確保駕駛?cè)藛T安全駕駛。綜合國內(nèi)外研究本研究提出雙向防側(cè)翻液壓油缸，能夠?yàn)椴孳囂峁┛估炝σ约爸瘟?，在車身和后橋位置進(jìn)行單側(cè)安裝。

在叉車出現(xiàn)傾斜時(shí)，利用液壓油缸能夠?yàn)椴孳囂峁﹤?cè)向支撐力，進(jìn)而使三角形穩(wěn)定區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪涡螤睢?/p>

在具體設(shè)計(jì)過程中控制防噪油缸電磁閥為常閉閥，在啟動(dòng)叉車后打開電磁閥，運(yùn)行頻率為750赫茲，采用脈沖寬度調(diào)制信號(hào)及pwm的占空比進(jìn)行電磁閥調(diào)節(jié)，以改變防側(cè)翻液壓油缸的運(yùn)行模式。一般來說有三種方式：第一，電磁閥輸出信號(hào)為70%Pwm信號(hào)，這種情況下為最大電磁閥開度，能夠自由移動(dòng)液壓油缸的活塞并且能夠使液壓缸左右腔連通，進(jìn)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(dǎo)致油缸活塞運(yùn)行速度逐漸變慢，緩沖閥會(huì)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(jìn)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(hào)為0%的pwm信號(hào)，這種情況下電磁閥彈簧作用力其能夠?qū)㈨斸樛嘶卦形恢?，此時(shí)電磁閥權(quán)并可以鎖定液壓油缸，在車身和后調(diào)位置形成剛性連接，車身能夠受到4個(gè)車輪支撐，進(jìn)而提高車輛的橫向穩(wěn)定性。第三，電磁閥控制信號(hào)為0～70%的pwm信號(hào)，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?qū)崿F(xiàn)良好運(yùn)動(dòng)，但具有較大阻力。

4? 模型構(gòu)建

門架模型構(gòu)建。對(duì)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(gòu)建叉車門架時(shí)僅需考慮不同元部件的運(yùn)動(dòng)副屬關(guān)系。本研究在模型構(gòu)件中可簡化門架的結(jié)構(gòu)模型，去除鏈輪、鏈條，對(duì)部分物件約束關(guān)系進(jìn)行定義后，可獲得門架的完整虛擬模型。在該模型中能夠?qū)⒇洸嫔舷录s束關(guān)系設(shè)置為門架與貨叉的平行運(yùn)動(dòng)副，在門架兩側(cè)后部位置設(shè)置，能夠促使門架前后保持運(yùn)動(dòng)的傾斜油缸，其前傾角度為3～6度，后仰角度為10～13度。設(shè)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(gòu)建轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的模型。在初期構(gòu)建叉車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型其準(zhǔn)確度是否與實(shí)際需求接近，需要通過模型驗(yàn)證和參數(shù)優(yōu)化，根據(jù)叉車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)阿克曼理論，在叉車處于轉(zhuǎn)向過程中，為確保車輪保持純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，要求轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)需滿足下列公式：

在上述公式中，外輪以及內(nèi)輪轉(zhuǎn)角分別用α、β進(jìn)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(zhuǎn)向輪外輪轉(zhuǎn)角差值絕對(duì)值較小，通過參數(shù)優(yōu)化，能夠利用仿真軟件進(jìn)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(biāo)逐漸歸零。構(gòu)建整車模型。需結(jié)合合力叉車參數(shù)來構(gòu)建整車模型，在建模時(shí)需簡化叉車結(jié)構(gòu)，比如針對(duì)叉車機(jī)械結(jié)構(gòu)和簡化或者剔除，在門架建模過程中無需考慮發(fā)動(dòng)機(jī)以及傳動(dòng)系統(tǒng)等相關(guān)結(jié)構(gòu)。而對(duì)于叉車其實(shí)際采用前后輪的型號(hào)分別為6.5-10-10PR以及2yx91512PP，在整車模型構(gòu)件中可利用輪胎模型fiala。

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

5? 叉車的運(yùn)行狀態(tài)分級(jí)

對(duì)于叉車在開展防側(cè)翻分層控制理論中，結(jié)合叉車的側(cè)向加速度、貨叉高度、載荷能夠?qū)⒉孳嚪譃橐患?jí)、二級(jí)和三級(jí)狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)絕對(duì)安全、安全邊界和危險(xiǎn)狀態(tài)。一級(jí)狀態(tài)是指叉車實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行且無側(cè)翻危險(xiǎn);二級(jí)狀態(tài)是指叉車面臨一定側(cè)翻危險(xiǎn)，并逐漸向危險(xiǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，要求采取合理控制措施，防止出現(xiàn)側(cè)翻;三級(jí)狀態(tài)是指叉車前輪出現(xiàn)一定程度側(cè)翻或者在較大的側(cè)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(cè)向加速度等參數(shù)，對(duì)于側(cè)翻產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)是不確定的，但不同參數(shù)之間具有關(guān)聯(lián)性，如果叉車運(yùn)行速度較快則側(cè)翻概率越大，側(cè)向加速度數(shù)值越高。如果X高度越高死時(shí)叉車所面臨的大的側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)在處于一定范圍內(nèi)。此時(shí)叉車運(yùn)行越穩(wěn)定，當(dāng)貨叉高度達(dá)到一定范圍時(shí)，在此時(shí)，叉車則面臨較大的側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)的研究利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識(shí)別叉車運(yùn)行情況，輸入量為上述三種參數(shù)輸出則表示叉車運(yùn)行狀態(tài)。

6? 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是融合神經(jīng)系統(tǒng)以及某個(gè)系統(tǒng)考慮兩者互補(bǔ)性，結(jié)合模糊控制理論推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)機(jī)制，人類思維，能夠?yàn)閭鹘y(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入量以及權(quán)重進(jìn)行模糊化處理。利用該模型全局輸出最優(yōu)化數(shù)學(xué)公式。在多變量系統(tǒng)處理過程中能夠減少模糊變量，同時(shí)利用該方法能夠?qū)崿F(xiàn)模型自動(dòng)更新，確保模糊子及隸屬度函數(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)性變化。本研究主要針對(duì)叉車貨叉高度，載荷以及側(cè)向加速度三個(gè)參數(shù)進(jìn)行模糊化處理，進(jìn)而預(yù)測(cè)叉車的運(yùn)行狀態(tài)。在具體開展中需通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)系數(shù)優(yōu)化，將實(shí)際值與期望輸出值比較，通過誤差實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化減小兩者誤差，進(jìn)而使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)際值與輸出值更加接近。系統(tǒng)輸出結(jié)果準(zhǔn)確度與樣本訓(xùn)練次數(shù)，學(xué)習(xí)量是成正相關(guān)關(guān)系的，數(shù)據(jù)量越大，開展越多的訓(xùn)練次數(shù)，其結(jié)果更加精確。為確保所構(gòu)建模型準(zhǔn)確要求提供較多的樣本數(shù)量，需進(jìn)行叉車連續(xù)性測(cè)試。每種樣品含40個(gè)樣本，不同樣本能夠表示不同操作下叉車高度、載荷和側(cè)向加速度的數(shù)值，選擇20個(gè)樣本為測(cè)試數(shù)據(jù)，通過測(cè)試檢測(cè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確度，對(duì)叉車運(yùn)行情況進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別預(yù)測(cè)。

7? 結(jié)語

總而言之，本研究針對(duì)叉車防側(cè)翻提出基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分層控制法。利用我國神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識(shí)別叉車的運(yùn)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(luò)叉車防側(cè)翻封層理論能夠準(zhǔn)確識(shí)別叉車的運(yùn)行情況，在極限工況條件下，能夠提升叉車的運(yùn)行安全性，防止出現(xiàn)側(cè)翻。

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