基于动量飞轮的拖拉机主动回稳控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及中小型马力拖拉机主动安全技术领域，尤其涉及用于拖拉机防侧翻安全的一种基于动量飞轮的拖拉机主动回稳控制系统及其控制方法。

背景技术

轮式拖拉机作为最常用的农业机械，在耕、耙、播、收、运等诸多农业生产环节发挥着极其重要的作用。然而作为非道路车辆和动力机械，拖拉机的离地间隙高、环境载荷多变、常在不平路面及坡面上作业等特点使其易发生失稳和侧翻，由此导致的安全驾驶问题尤为突出。据统计，近年来全球发生的轮式拖拉机侧翻事故中，致死率超过50％。因此，如何解决拖拉机在复杂工况环境中的侧翻问题，已成为普遍性和长期性的世界难题，至今尚未得到根本性解决。

目前拖拉机最常见的防侧翻装置为基本的被动安全装置—侧翻保护装置(rops，rolloverprotectivestructure)。其安全隐患巨大，不能有效防止拖拉机侧翻。在汽车防侧翻装置研究领域，南京航空航天大学申请的一种“基于双质量飞轮的汽车防侧翻装置及其控制方法”(专利申请号：201710270224.8)以及“一种基于质量飞轮的车辆防侧翻装置及其控制方法”(专利申请号：201710270290.5)在汽车质心位置安装基于双质量飞轮的特殊装置，通过改变飞轮的转动速度和方向实现汽车的侧翻主动回稳控制。该装置的结构复杂，且不适用拖拉机等非道路车辆防侧翻问题。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种基于动量飞轮的拖拉机主动回稳控制系统，与被动安全防侧翻装置rops相比，本系统通过动量飞轮的快速启动、加速控制及电机功能的转换，实现拖拉机防侧翻主动回稳控制和能量回收，解决当前拖拉机侧翻难题，且结构简单，可在不改变拖拉机原结构的情况下装载本系统，可操作性强，适应拖拉机不同侧翻工况，具有较强的应用价值。

本发明的另一个目的在于提供一种基于动量飞轮的拖拉机主动回稳控制方法。

本发明为解决上述技术问题采取以下技术方案：

一种基于动量飞轮的拖拉机主动回稳控制系统，包括飞轮系统执行机构、飞轮系统控制单元6、蓄电池7和传感器单元8；

所述飞轮系统执行机构包括动量飞轮2、盘式电机3和支架4；所述飞轮系统执行机构相对于拖拉机纵向中心轴对称；

所述支架4的前部为圆盘状板体，支架4的后部为连接部，支架4通过所述连接部安装在拖拉机前部；

所述盘式电机3固定在支架4的前部，所述盘式电机3的前部为盘式电机动力输出轴5；

所述动量飞轮2呈镂空圆盘状，与所述盘式电机3同轴设置，与盘式电机动力输出轴5固接；

所述传感器单元8包括角度传感器81和陀螺仪82，其中，在拖拉机前摇摆桥与拖拉机主机体的连接处安装角度传感器81；在拖拉机主机体和拖拉机前摇摆桥上各安装一套陀螺仪82；

所述飞轮系统控制单元6固定在拖拉机主机体上，分别和所述传感器单元8和盘式电机3电连接；

所述蓄电池7安装在拖拉机主机体上，蓄电池7和盘式电机3连接。

所述支架4的圆盘状板体上设有盘式电机安装孔10，所述支架4的连接部上设有多个底座安装孔11；

通过将第一连接件穿入底座安装孔11将所述支架4安装在拖拉机前部的前配重架位置；

通过将第二连接件穿入盘式电机安装孔10将所述盘式电机3固定在支架4的前部。

所述飞轮系统执行机构还包括保护罩1，所述保护罩1固定在支架4上。

所述保护罩1的纵向截面小于支架4的圆盘状板体的纵向截面。

所述支架4的圆盘状板体上设有多个保护罩安装孔9，通过将第三连接件穿入保护罩安装孔9将所述保护罩1固定在支架4上。

所述第一连接件和第二连接件为螺栓。

所述第三连接件为螺栓。

一种使用所述的拖拉机主动回稳控制系统对拖拉机进行回稳控制的方法，包括以下步骤：

步骤a.1)拖拉机整机系统处于正常行驶状态，飞轮系统执行机构不工作，传感器单元8将采集到的拖拉机行进过程中的前摇摆桥自由摆动角拖拉机整机侧倾角机体侧倾角速度ωr和前摇摆桥侧倾角速度ωf输入飞轮系统控制单元6；

步骤a.2)飞轮系统控制单元6根据传感器单元8输入的拖拉机整机侧倾角和机体侧倾角速度ωr判断整机最大侧倾角

同时，飞轮系统控制单元6利用传感器单元8输入的前摇摆桥自由摆动角前摇摆桥侧倾角速度ωf和机体侧倾角速度ωr判断拖拉机的侧倾状态：

步骤a.2.1)当且ωf≠ωr时，拖拉机处于一级侧倾状态；其中，为前摇摆桥自由摆动角；为前摇摆桥极限自由摆动角，范围是10°～11°；ωf为前摇摆桥侧倾角速度；ωr为机体侧倾角速度；

此时，拖拉机主动回稳控制系统对驾驶员显示一级侧倾警告信息，飞轮系统执行机构不工作；

步骤a.2.2)当ωf＝ωr＝0；时，拖拉机处于二级侧翻状态；其中，为前摇摆桥自由摆动角；为前摇摆桥极限自由摆动角，范围是10°～11°；ωf为前摇摆桥侧倾角速度；ωr为机体侧倾角速度；为整机最大侧倾角；为整机静态极限侧倾角；

飞轮系统控制单元6根据传感器单元8输入的机体侧倾角速度ωr，并根据动量飞轮2当前时刻角速度ωf，应用动量矩定理，计算拖拉机侧倾干扰力矩md：

式中：

if为动量飞轮2绕其转轴的转动惯量；

it为不含动量飞轮2在内的拖拉机整机系统的转动惯量；

ωr为机体侧倾角速度；

ωf为动量飞轮2当前时刻角速度；

md为拖拉机侧倾干扰力矩；

飞轮系统控制单元6控制盘式电机3带动动量飞轮2加速转动，动量飞轮2的转动方向与拖拉机侧倾方向相同，盘式电机3具有控制模块，利用动量飞轮2加速转动时产生相对于拖拉机主机体的反作用力矩，消除侧倾干扰力矩md对拖拉机姿态的影响，通过动量飞轮转速控制模型：

式中：

ωf′为动量飞轮2的期望转速；

if为动量飞轮2绕其转轴的转动惯量；

md为拖拉机侧倾干扰力矩；

ωf0为拖拉机未发生侧倾时动量飞轮2的角速度；

计算得到动量飞轮2的期望转速ωf′，作为控制目标输入盘式电机3的控制模块，从而实现盘式电机3的转速控制，产生与拖拉机侧倾干扰力矩md相等且方向相反的回稳力矩，并作用于拖拉机主机体，实现对失稳态拖拉机的姿态控制，同时向驾驶员显示拖拉机二级侧翻失稳警告，回到步骤a.2)进一步判断拖拉机的侧倾状态；

步骤a.2.3)当ωf＝ωr≠0；时，拖拉机处于三级侧翻状态；其中，为前摇摆桥自由摆动角；为前摇摆桥极限自由摆动角，范围是10°～11°；ωf为前摇摆桥侧倾角速度；ωr为机体侧倾角速度；为整机最大侧倾角；为整机静态极限侧倾角；

飞轮系统控制单元6控制盘式电机3以最高转速快速转动，动量飞轮2的转动方向与拖拉机侧倾方向相同，动量飞轮2输出与拖拉机侧倾干扰力矩md方向相反的最大回稳力矩，同时警告驾驶员拖拉机即将发生侧翻，同时回到步骤a.2)进一步判断拖拉机的侧倾状态；

步骤b.1)当由步骤a.2)判断拖拉机整机系统由二级侧翻状态或者三级侧翻状态回稳至一级侧倾状态时，飞轮系统控制单元6控制盘式电机3停止工作，切断动量飞轮2的能量来源；

步骤b.2)飞轮系统控制单元6切换盘式电机3的功能，高速运转的动量飞轮2作为储能元件为蓄电池7反向充电。

对于轮式拖拉机，整机静态极限侧倾角为36°～43°，对于履带式拖拉机，整机静态极限侧倾角为50°～60°。

采用以上技术方案与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)适应性好：本发明原理简单、结构紧凑，主要用于中小马力拖拉机，改装过程中不破坏拖拉机原结构，可安装在拖拉机前配重位置，控制拖拉机侧翻的同时起到静态配重压舱作用；

2)性能稳定高效：本发明主要通过控制单轴姿态动量飞轮的角动量变化实现拖拉机侧倾回稳，反应迅速且平稳可靠；

3)鲁棒性强：本发明在一定范围内可根据拖拉机侧翻失稳状态自动调节拖拉机防侧翻回稳力矩，适应不同侧翻工况。

附图说明

图1为本发明的飞轮系统执行机构的结构示意图；

图2为本发明的拖拉机主动回稳控制系统的结构俯视布局示意图；

图3为本发明的动量飞轮2的结构示意图；

图4为本发明的支架4的结构示意图。

其中的附图标记为：

1保护罩2动量飞轮

3盘式电机4支架

5盘式电机动力输出轴6飞轮系统控制单元

7蓄电池8传感器单元

9保护罩安装孔10盘式电机安装孔

11底座安装孔81角度传感器

82高精度陀螺仪

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

如图1和图2所示，一种基于动量飞轮的拖拉机主动回稳控制系统，包括飞轮系统执行机构、飞轮系统控制单元6、蓄电池7和传感器单元8；

所述飞轮系统执行机构包括保护罩1、动量飞轮2、盘式电机3和支架4。所述飞轮系统执行机构相对于拖拉机纵向中心轴对称。

如图1和图4所示，所述支架4为飞轮系统执行机构的承载体。所述支架4的前部为圆盘状板体，支架4的后部为连接部，支架4通过所述连接部安装在拖拉机前部。

所述盘式电机3固定在支架4的前部，所述盘式电机3的前部为盘式电机动力输出轴5。

如图3所示，所述动量飞轮2呈镂空圆盘状，与所述盘式电机3同轴设置，与盘式电机动力输出轴5固接。

该动量飞轮2的镂空圆盘造型使得飞轮重量较轻的同时也具有较大转动惯量，保证提供的力矩可有效控制拖拉机回稳。通过盘式电机3的启动、换向、充放电功能切换实现动量飞轮2的快速启动、平稳卸荷、能量回收等功能。盘式电机3启动时，带动动量飞轮2产生回稳力矩；动量飞轮2卸荷时，盘式电机3可作为发电机为蓄电池7反向充电，实现能量回收。

所述保护罩1固定在支架4上，保护罩1的纵向截面小于支架4的圆盘状板体的纵向截面，其作用是保护动量飞轮2不受到外界干扰，同时避免动量飞轮2对路人、作物等造成伤害。

优选地，所述支架4的圆盘状板体上设有多个保护罩安装孔9和盘式电机安装孔10。所述支架4的连接部上设有多个底座安装孔11。

通过将第一连接件穿入底座安装孔11将所述支架4安装在拖拉机前部的前配重架位置，替代拖拉机原前配重。

通过将第二连接件穿入盘式电机安装孔10将所述盘式电机3固定在支架4的前部。

通过将第三连接件穿入保护罩安装孔9将所述保护罩1固定在支架4上。

优选地，所述第一连接件、第二连接件和第三连接件为螺栓。

所述传感器单元8包括角度传感器81和高精度陀螺仪82，其中，在拖拉机前摇摆桥与拖拉机主机体的连接处安装角度传感器81，用于测量前摇摆桥自由摆动角在拖拉机主机体和拖拉机前摇摆桥上各安装一套高精度陀螺仪82，用于测量拖拉机整机侧倾角机体侧倾角速度ωr和前摇摆桥侧倾角速度ωf。

所述飞轮系统控制单元6固定在拖拉机主机体上，分别和所述传感器单元8和盘式电机3电连接，用于根据采集的拖拉机侧倾失稳状态信号，判断拖拉机的侧倾失稳程度，计算侧倾干扰力矩，应用动量矩定理，通过控制盘式电机3转速，实现动量飞轮2的快速启动、加速及平顺卸荷，输出平衡力矩，保证拖拉机的主动回稳控制。

所述蓄电池7安装在拖拉机主机体上，优选安装在拖拉机主机体的中下部。蓄电池7和盘式电机3连接，蓄电池7为盘式电机3供电，带动动量飞轮2运转；当动量飞轮2卸荷时，用于回收动量飞轮2的动能。

通过分析拖拉机侧倾失稳机理和拖拉机时变结构非线性动力学系统模型，根据前摇摆桥自由摆动角前摇摆桥极限自由摆动角前摇摆桥侧倾角速度ωf、机体侧倾角速度ωr、整机最大侧倾角以及整机静态极限侧倾角将整机系统状态划分为一级侧倾状态、二级侧翻状态和三级侧翻状态。

1)一级侧倾：拖拉机处于相对稳定状态，四轮承载，前摇摆桥可相对自由摆动，拖拉机在重力作用下可自动回稳；

2)二级侧翻：拖拉机处于过渡失稳状态，两轮或三轮承载；前摇摆桥达到极限自由摆动位置，拖拉机在现状下可自动回稳，但随着侧倾能量的持续输入可能进入下一阶段；

3)三级侧翻：拖拉机处于极限失稳状态，两轮承载，前摇摆桥达到极限自由摆动位置，拖拉机不可自动回稳，不干预情况下发生完全侧翻或翻滚。

其中，前摇摆桥自由摆动角拖拉机前摇摆桥相对拖拉机主机体可自由摆动的角度；

前摇摆桥极限自由摆动角拖拉机前摇摆桥相对拖拉机主机体能够摆动的最大自由摆动角；

前摇摆桥侧倾角速度ωf：单位时间内，拖拉机前摇摆桥相对主机体转过的侧倾角度；

机体侧倾角速度ωr：单位时间内，拖拉机主机体相对地面转过的侧倾角度；

整机最大侧倾角拖拉机在某一侧倾过程中，拖拉机整机相对地面达到的最大侧倾角度；

整机静态极限侧倾角静态下拖拉机的侧翻初始角度；

拖拉机整机侧倾角拖拉机整机相对地面的侧倾角度。

一种基于动量飞轮的拖拉机主动回稳控制方法，包括以下步骤：

步骤a.1)拖拉机整机系统处于正常行驶状态，飞轮系统执行机构不工作。布置在拖拉机上的传感器单元8将采集到的拖拉机行进过程中的前摇摆桥自由摆动角拖拉机整机侧倾角机体侧倾角速度ωr和前摇摆桥侧倾角速度ωf输入飞轮系统控制单元6；

步骤a.2)飞轮系统控制单元6根据传感器单元8输入的拖拉机整机侧倾角和机体侧倾角速度ωr判断整机最大侧倾角

同时，飞轮系统控制单元6利用传感器单元8输入的前摇摆桥自由摆动角前摇摆桥侧倾角速度ωf和机体侧倾角速度ωr判断拖拉机的侧倾状态：

步骤a.2.1)当且ωf≠ωr时，拖拉机处于一级侧倾状态。其中，为前摇摆桥自由摆动角；为前摇摆桥极限自由摆动角，范围是10°～11°；ωf为前摇摆桥侧倾角速度；ωr为机体侧倾角速度。

此时，拖拉机主动回稳控制系统对驾驶员显示一级侧倾警告信息，飞轮系统执行机构不工作；

步骤a.2.2)当ωf＝ωr＝0；时，拖拉机处于二级侧翻状态。其中，为前摇摆桥自由摆动角；为前摇摆桥极限自由摆动角，范围是10°～11°；ωf为前摇摆桥侧倾角速度；ωr为机体侧倾角速度；为整机最大侧倾角；为整机静态极限侧倾角，拖拉机设计手册规定：对于轮式拖拉机，整机静态极限侧倾角为36°～43°，对于履带式拖拉机，整机静态极限侧倾角为50°～60°。

飞轮系统控制单元6根据传感器单元8输入的机体侧倾角速度ωr，并根据动量飞轮2当前时刻角速度ωf(动量飞轮2当前时刻角速度等于电机动力输出轴5的角速度)，应用动量矩定理，计算拖拉机侧倾干扰力矩md：

式中：

if为动量飞轮2绕其转轴的转动惯量；

it为不含动量飞轮2在内的拖拉机整机系统的转动惯量；

ωr为机体侧倾角速度；

ωf为动量飞轮2当前时刻角速度；

md为拖拉机侧倾干扰力矩；

飞轮系统控制单元6控制盘式电机3带动动量飞轮2加速转动，动量飞轮2的转动方向与拖拉机侧倾方向相同，盘式电机3具有控制模块，利用动量飞轮2加速转动时产生相对于拖拉机主机体的反作用力矩，消除侧倾干扰力矩md对拖拉机姿态的影响，通过动量飞轮转速控制模型：

式中：

ωf′为动量飞轮2的期望转速；

if为动量飞轮2绕其转轴的转动惯量；

md为拖拉机侧倾干扰力矩；

ωf0为拖拉机未发生侧倾时动量飞轮的角速度；

计算得到动量飞轮2的期望转速ωf′，作为控制目标输入盘式电机3的控制模块，从而实现盘式电机3的转速控制，产生与拖拉机侧倾干扰力矩md相同且方向相反的回稳力矩，并作用于拖拉机主机体，实现对失稳态拖拉机的姿态控制，同时向驾驶员显示拖拉机二级侧翻失稳警告，同时回到步骤a.2)进一步判断拖拉机的侧倾状态；

步骤a.2.3)当ωf＝ωr≠0；时，拖拉机处于三级侧翻状态；其中，为前摇摆桥自由摆动角；为前摇摆桥极限自由摆动角，范围是10°～11°；ωf为前摇摆桥侧倾角速度；ωr为机体侧倾角速度；为整机最大侧倾角；为整机静态极限侧倾角，拖拉机设计手册规定：对于轮式拖拉机，整机静态极限侧倾角为36°～43°，对于履带式拖拉机，整机静态极限侧倾角为50°～60°。

飞轮系统控制单元6控制盘式电机3以最高转速快速转动，动量飞轮2的转动方向与拖拉机侧倾方向相同，动量飞轮2输出与拖拉机侧倾干扰力矩md方向相反的最大回稳力矩，同时警告驾驶员拖拉机即将发生侧翻，同时回到步骤a.2)进一步判断拖拉机的侧倾状态。

步骤b.1)当由步骤a.2)判断拖拉机整机系统由二级侧翻状态或者三级侧翻状态回稳至一级侧倾状态时，飞轮系统控制单元6控制盘式电机3停止工作，切断动量飞轮2的能量来源；

步骤b.2)飞轮系统控制单元6切换盘式电机3的功能，高速运转的动量飞轮2作为储能元件为蓄电池7反向充电，保证动量飞轮2的平顺卸荷，避免拖拉机主机体产生二次失稳，同时回收卸荷能量，最大限度地提升能量利用率。