徐保榮 ,王濤 ,梁梓

(1.63966 部隊(duì),北京 100072;2.陸軍裝甲兵學(xué)院 車輛工程系,北京 100072)

0 引言

履帶車輛和其他機(jī)械系統(tǒng)一樣,工作過程中會(huì)因環(huán)境、任務(wù)、工況的不同而承受多變的載荷作用,這些載荷是車輛系統(tǒng)對(duì)外部激勵(lì)和操作的響應(yīng),包含幅值、均值、頻次、次序等多種要素,這些要素的組合稱為載荷譜,它的表現(xiàn)形式多樣,可以是數(shù)學(xué)式、圖表,也可以是時(shí)歷數(shù)據(jù)。載荷譜是車輛設(shè)計(jì)的主要依據(jù),如何編制全面反映車輛實(shí)際載荷的載荷譜,是履帶車輛設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、定型的基本依據(jù)。在設(shè)計(jì)階段,載荷譜為功能設(shè)計(jì)提供依據(jù),在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義下給出載荷極限值以及載荷交變規(guī)律。在試驗(yàn)階段,載荷譜為耐久性試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)提供試驗(yàn)臺(tái)加載載荷。在定型階段,載荷譜為裝備壽命估計(jì)提供載荷輸入。

當(dāng)前應(yīng)用于我國(guó)履帶車輛設(shè)計(jì)和考核的載荷數(shù)據(jù)多是通過專用試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的“試驗(yàn)載荷”,且樣本量有限;另外,很多事實(shí)表明,當(dāng)前的載荷加載試驗(yàn)存在試驗(yàn)工況與實(shí)際使用工況不符、失效形式差異較大的問題。因此,如何利用前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嵻嚋y(cè)量數(shù)據(jù),得到足夠多的具有各態(tài)歷經(jīng)的樣本,以及可以代表載荷總體特征的一定長(zhǎng)度的載荷樣本量,重現(xiàn)實(shí)際使用工況以及與使用工況相對(duì)應(yīng)的載荷,編制有效可行的載荷譜,顯得十分重要。

本文針對(duì)上述問題,通過分析載荷影響因素,提出一種基于操縱動(dòng)作預(yù)測(cè)的載荷譜編制方法。該方法以充分體現(xiàn)車輛實(shí)際訓(xùn)練任務(wù)和快速生成載荷樣本為目標(biāo),先對(duì)訓(xùn)練科目進(jìn)行任務(wù)剖面分解,按照任務(wù)剖面構(gòu)建載荷譜,再通過預(yù)測(cè)操縱動(dòng)作,對(duì)已知相似工況載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行序列重組,從而得到載荷樣本。最后以某型高速履帶車輛的一個(gè)典型訓(xùn)練科目為例,驗(yàn)證了該方法的可行性,從而形成了一種能有效關(guān)聯(lián)車輛任務(wù)的載荷譜快速編制方法。

1 載荷影響因素分析

為反映試驗(yàn)載荷和實(shí)際載荷的差異,以某型履帶車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的載荷參數(shù)分布情況,與某系列綜合傳動(dòng)裝置臺(tái)架與裝車試驗(yàn)的擋位分布情況進(jìn)行說明。

圖1 是該發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)載荷參數(shù)統(tǒng)計(jì)圖,圖2 是該發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)車載荷參數(shù)統(tǒng)計(jì)圖。由圖1 和圖2 可見,臺(tái)架試驗(yàn)載荷與實(shí)車試驗(yàn)載荷的分布明顯不同。大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果也表明,發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中的失效形式與實(shí)際使用中的失效形式差異很大。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)載荷參數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Test load parameter statistics of engine bench

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)車載荷參數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.2 Test load parameter statistics of engine

圖3 是某系列綜合傳動(dòng)裝置臺(tái)架與裝車試驗(yàn)1～6 擋的擋位分布圖。圖中給出了3 種擋位分布,分別是依據(jù)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 5210—2003 裝甲車輛綜合傳動(dòng)裝置合架試驗(yàn)方法制定的臺(tái)架試驗(yàn)擋位占比分布、鑒定階段裝車后實(shí)車試驗(yàn)中實(shí)車擋位占比分布、鑒定前科研驗(yàn)證試驗(yàn)中實(shí)車擋位占比分布。可以看到三者的擋位分布明顯不同,因此必然帶來載荷分布的差異。

圖3 某型車3 階段中傳動(dòng)系統(tǒng)的擋位分布Fig.3 Distribution of gear shifts for a transmission system

另外,試驗(yàn)載荷譜與實(shí)際使用工況對(duì)應(yīng)的載荷譜不一致,未充分考慮因環(huán)境和人員不同而引起的載荷變化是主要原因之一。盡管訓(xùn)練大綱、訓(xùn)練教范、場(chǎng)地規(guī)范對(duì)駕駛員的技術(shù)動(dòng)作和場(chǎng)地的環(huán)境特征有相同的要求,但由于人員差異和地域差異,這兩個(gè)因素產(chǎn)生的影響是不同的。例如,不同等級(jí)駕駛員對(duì)同一個(gè)換擋動(dòng)作的換擋時(shí)機(jī)和換擋時(shí)間是不同的,這就對(duì)同一套傳動(dòng)裝置形成了不同的載荷。再如,南方、北方都選擇平直土路,由于北方少雨,地面干燥,行駛阻力系數(shù)小,而南方多雨,地面濕滑,行駛阻力系數(shù)大,因此,即便是同一速度下行駛,行動(dòng)和傳動(dòng)裝置承受的載荷也不同。

人員引起的載荷變化實(shí)際上是操作規(guī)律的體現(xiàn),這種規(guī)律是操作人員在特定的軍事任務(wù)中,按照當(dāng)時(shí)的任務(wù)需求,針對(duì)特定的環(huán)境特征,依據(jù)自身的決策模型而實(shí)施的操作動(dòng)作。任務(wù)需求就是訓(xùn)練大綱、訓(xùn)練教范的要求。操作動(dòng)作使得車輛在實(shí)現(xiàn)動(dòng)作過程中對(duì)外部環(huán)境作出響應(yīng),進(jìn)而產(chǎn)生車輛及其部組件的載荷變化。這種關(guān)系可以由圖4 表示。

圖4 車輛載荷成因分析Fig.4 Cause analysis of vehicle load formation

當(dāng)前的載荷譜編制方法,通常多關(guān)注虛線右側(cè)的內(nèi)容,在幾類特定的試驗(yàn)場(chǎng)地中按照指定的試驗(yàn)步驟完成有限里程的小樣本試驗(yàn)。實(shí)施過程中,試驗(yàn)場(chǎng)地和試驗(yàn)步驟是參照耐久性試驗(yàn)或汽車相關(guān)試驗(yàn)制定的,往往帶有很強(qiáng)的主觀性,對(duì)具體的環(huán)境和人員因素考慮不足。

從圖4 中可以直觀地看出,操作規(guī)律是融合任務(wù)、環(huán)境、人員信息后形成的綜合體,是體現(xiàn)車輛實(shí)際使用工況的關(guān)鍵。因此,一套更加合理的載荷譜編制方法是當(dāng)前迫切要解決的問題。當(dāng)車輛狀態(tài)和任務(wù)需求相對(duì)確定時(shí),解決問題的關(guān)鍵就是設(shè)法明確環(huán)境特征和操作規(guī)律。

環(huán)境特征主要是地域特點(diǎn)和車輛地面作用關(guān)系的分析和總結(jié)。其他環(huán)境因素未體現(xiàn),只將其產(chǎn)生的影響簡(jiǎn)單合并為地面條件的變化。

操作規(guī)律既涉及任務(wù)需求到技術(shù)問題的轉(zhuǎn)換,又涉及決策模型邏輯的建立,還涉及環(huán)境特征與任務(wù)技術(shù)需求在決策模型中規(guī)則的建立。

2 基于訓(xùn)練科目與決策模型的載荷譜編制方法

2.1 基本思路

首先明確訓(xùn)練科目,然后對(duì)訓(xùn)練進(jìn)行任務(wù)剖面分解,最后按照任務(wù)剖面構(gòu)建載荷譜。依據(jù)任務(wù)剖面形成載荷譜的方法通常有兩種;第1 種是使用車輛動(dòng)力學(xué)模型仿真得到載荷的時(shí)序數(shù)據(jù);第2 種是對(duì)相似工況載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行序列重組得到載荷的時(shí)序數(shù)據(jù)。這里按照第2 種方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

任務(wù)剖面給出的是車輛意圖經(jīng)過的地理檢查點(diǎn)、行為指令、車速約束、時(shí)間約束等內(nèi)容。根據(jù)這些內(nèi)容,結(jié)合先驗(yàn)信息,可實(shí)現(xiàn)基于任務(wù)自動(dòng)預(yù)測(cè)車輛路徑與動(dòng)作,然后進(jìn)行車速預(yù)測(cè)與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)操縱預(yù)測(cè),再利用譜塊選擇和譜塊拼接程序,可形成符合訓(xùn)練科目的載荷譜?？傮w技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 基于使用想定重構(gòu)載荷譜的總體技術(shù)路線Fig.5 General technical route of load spectrum reconstruction based on scenario

技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程包含以下步驟。

路徑規(guī)劃。依據(jù)任務(wù)剖面給出的地理檢查點(diǎn),結(jié)合道路地圖提供的道路信息與可通行區(qū)域,利用Dijkstra 路徑尋優(yōu)算法尋找連接相鄰地理檢查點(diǎn)(局部起點(diǎn)與局部終點(diǎn))的可行運(yùn)動(dòng)路徑。

行動(dòng)規(guī)劃。依據(jù)路徑規(guī)劃得到的運(yùn)動(dòng)路徑和任務(wù)剖面給出的行為指令、車速約束、時(shí)間約束,結(jié)合電子地圖以及地形信息中的高程、障礙拓?fù)洹⒌缆非实刃畔?利用動(dòng)作預(yù)測(cè)算法尋找最優(yōu)的時(shí)空路徑,形成動(dòng)作序列,其包含路徑點(diǎn)序列以及路徑點(diǎn)對(duì)應(yīng)的車輛預(yù)測(cè)位姿與預(yù)測(cè)車速。

操縱預(yù)測(cè)。依據(jù)動(dòng)作預(yù)測(cè)得到的車速序列,結(jié)合操縱動(dòng)作庫(kù)中的駕駛操作動(dòng)作,利用決策模型預(yù)測(cè)可行的車輛操縱動(dòng)作,形成操縱序列。

譜塊優(yōu)選。依據(jù)車速序列、操縱序列,結(jié)合車輛參數(shù)、地理信息庫(kù)、載荷譜庫(kù),利用查表法在載荷譜庫(kù)中選擇可行的載荷譜塊及其同步的車輛操縱動(dòng)作,形成載荷譜塊序列與操縱動(dòng)作塊序列。

譜塊拼接。載荷譜塊序列與操縱動(dòng)作塊序列只是具備順序關(guān)系的離散的時(shí)歷數(shù)據(jù)集合,要生成試驗(yàn)臺(tái)加載用的載荷譜與操縱動(dòng)作序列,應(yīng)使其具備連續(xù)性。這里利用基于梯度的方法對(duì)序列中相鄰載荷譜塊進(jìn)行光滑過渡連接,基于邏輯推理法對(duì)序列中相鄰操縱動(dòng)作塊進(jìn)行連接,形成可用于試驗(yàn)臺(tái)加載的負(fù)載載荷譜和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)操縱動(dòng)作序列。

此外,還需要如下一些資源數(shù)據(jù),包括地理信息庫(kù)、操縱動(dòng)作庫(kù)、載荷譜塊庫(kù)、車輛參數(shù)。

1) 地理信息庫(kù)。包括道路地圖、地形信息和地面條件構(gòu)建方法研究。道路地圖包含道路拓?fù)湫畔⒑涂赏ㄐ袇^(qū)域信息。地形信息描述高程信息,可用于推導(dǎo)坡度。地面條件包含地面類型、土壤參數(shù)、不平度、阻力系數(shù)等信息。三者之間利用墨卡托投影坐標(biāo)系關(guān)聯(lián),統(tǒng)一存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)。

2) 操縱動(dòng)作庫(kù)。包括方向盤或操縱桿、油門、制動(dòng)、換擋等操作。

3) 載荷譜塊庫(kù)。包括動(dòng)力裝置負(fù)載、傳動(dòng)裝置負(fù)載、車速、擋位、方向盤轉(zhuǎn)角或操縱桿位置、油門開度、制動(dòng)踏板行程、車輛類型、車輛質(zhì)量、坡度和地面類型。數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)動(dòng)力裝置負(fù)載與傳動(dòng)裝置負(fù)載的時(shí)歷數(shù)據(jù)。時(shí)歷數(shù)據(jù)按照對(duì)應(yīng)的車速、擋位、方向盤轉(zhuǎn)角、油門開度、制動(dòng)踏板行程、車輛類型、車輛質(zhì)量、坡度和地面類型建立索引。

4) 車輛參數(shù)。包括車輛類型、車身尺寸參數(shù)、車輛質(zhì)量、慣量、動(dòng)力裝置類型、傳動(dòng)裝置類型、行動(dòng)裝置類型等信息。

2.2 路徑規(guī)劃方法

駕駛員在駕駛過程中,需要根據(jù)路況不斷調(diào)整行進(jìn)路徑,以到達(dá)行進(jìn)目的地,即路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃就是尋求一條從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的路徑,當(dāng)車輛沿此路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)與環(huán)境物體發(fā)生碰撞。路徑規(guī)劃需要預(yù)測(cè)從起始點(diǎn)經(jīng)過途經(jīng)點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn),并且滿足約束條件的最優(yōu)路徑。路徑規(guī)劃算法本質(zhì)上是在解決任意兩點(diǎn)的最短路徑問題。路徑規(guī)劃分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。

2.2.1 全局路徑規(guī)劃算法

全局路徑規(guī)劃是依據(jù)現(xiàn)有起始點(diǎn)、途經(jīng)點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)及環(huán)境信息進(jìn)行的完整路徑規(guī)劃。采用Dijkstra算法,針對(duì)帶權(quán)有向圖(見圖6),將起始點(diǎn)定義為源點(diǎn),目標(biāo)點(diǎn)定義為,途經(jīng)點(diǎn)定義為、、、,為權(quán)重。最短路徑問題則抽象為從源點(diǎn)到帶權(quán)有向圖其余各點(diǎn)的最短路徑。Dijkstra 算法按照路徑長(zhǎng)度排序求出最短路徑。

圖6 帶權(quán)有向圖Fig.6 Weighted directed graph

2.2.2 局部路徑規(guī)劃

在車輛行進(jìn)過程中會(huì)遇到各種各樣的障礙,避障問題是路徑規(guī)劃中的一項(xiàng)主要研究?jī)?nèi)容,車輛遇到障礙通常需要繞行,使用漸進(jìn)回歸避障方法解決車輛繞開障礙物的路徑規(guī)劃問題。所謂避障,就是車輛在遇到障礙時(shí)選擇正確的行進(jìn)方向,繞過障礙區(qū),然后繼續(xù)向目標(biāo)點(diǎn)行進(jìn)。在避障過程中,盡量減少因必須繞行而所走的路程,也就是最短路徑原則,因此,車輛必須不斷地修正自己的行進(jìn)方向,力求做到行進(jìn)方向與目的地方向的偏離度最小。

2.3 行動(dòng)規(guī)劃方法

完成路徑規(guī)劃后需要對(duì)車輛的行駛方向和速度時(shí)刻進(jìn)行控制,即進(jìn)行動(dòng)作預(yù)測(cè)。車輛行駛方向根據(jù)駕駛員期望的轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行預(yù)測(cè),車輛行駛速度由駕駛員期望的速度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.3.1 駕駛員期望轉(zhuǎn)向角度

采用兩點(diǎn)法進(jìn)行駕駛員期望轉(zhuǎn)向角度計(jì)算,兩點(diǎn)法原理如圖7 所示。

圖7 兩點(diǎn)法示意圖Fig.7 Schematic diagram of two points method

兩點(diǎn)法中定義了近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn),對(duì)應(yīng)著駕駛員在路上預(yù)測(cè)到的車輛未來可能行駛到的近處位置和遠(yuǎn)處位置。車輛轉(zhuǎn)向角度定義為車輛行駛方向線和道路方向線的夾角。那么時(shí)刻車輛的轉(zhuǎn)向夾角α可以用(1)式表達(dá):

式中:、和是擬合參數(shù),通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到;Δ為遠(yuǎn)點(diǎn)在Δ時(shí)間內(nèi)的角度變化量;Δ為遠(yuǎn)點(diǎn)在Δ時(shí)間內(nèi)的角度變化量;為近點(diǎn)在時(shí)刻的角度;為設(shè)定的一個(gè)最大的近點(diǎn)角度,用以限制轉(zhuǎn)向角度過大。

2.3.2 駕駛員期望車速

根據(jù)越野車輛訓(xùn)練任務(wù)的特點(diǎn),可以認(rèn)為駕駛員車輛前方?jīng)]有其他車輛,此時(shí)可以采用車輛在道路上可能達(dá)到的最大速度作為駕駛員期望車速。

駕駛員的期望車速用(2)式表示為

式中:為道路容許的最大速度;為車輛容許的最大速度;為執(zhí)行任務(wù)需要的速度。

2.4 操縱動(dòng)作預(yù)測(cè)方法

確定了車輛期望轉(zhuǎn)向角度和加速度后,需要確定車輛操縱動(dòng)作,從而控制車輛運(yùn)動(dòng)的方向和速度。

車輛操縱動(dòng)作需要根據(jù)駕駛員意圖,結(jié)合駕駛員當(dāng)前時(shí)刻可用的操縱資源進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.4.1 車輛操縱資源適配

車輛操縱資源是指在某時(shí)刻車輛上可以被駕駛員操縱的裝置,如制動(dòng)器、離合器、油門、方向盤等。當(dāng)駕駛員期望車速與轉(zhuǎn)角產(chǎn)生后,生成新的駕駛操縱任務(wù),并將任務(wù)按照權(quán)重存入任務(wù)隊(duì)列,然后對(duì)任務(wù)進(jìn)行分析,得到需要的車輛操縱資源,同時(shí)根據(jù)駕駛員狀態(tài)查詢相應(yīng)操縱資源是否可用,判斷是否可執(zhí)行該操縱任務(wù)。

2.4.2 駕駛操縱動(dòng)作預(yù)測(cè)

當(dāng)操縱任務(wù)能夠執(zhí)行時(shí),需要根據(jù)任務(wù)目標(biāo)來輸出操縱動(dòng)作。操縱動(dòng)作首先要保證操縱動(dòng)作的子動(dòng)作之間滿足正確的時(shí)序關(guān)系,否則,子動(dòng)作的時(shí)序不正確會(huì)導(dǎo)致車輛物理模型無法運(yùn)行或者出錯(cuò)。其次,需要保證操縱動(dòng)作的幅度正確。對(duì)于前者,采用層次任務(wù)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的方法解決。

層次任務(wù)網(wǎng)絡(luò)是基于知識(shí)的規(guī)劃技術(shù)。它利用任務(wù)網(wǎng)絡(luò)、域描述、狀態(tài)描述規(guī)劃任務(wù),任務(wù)網(wǎng)絡(luò)定義了任務(wù)隊(duì)列和約束條件,域描述定義了預(yù)測(cè)算子、方法等信息,狀態(tài)描述定義了任務(wù)執(zhí)行前后執(zhí)行器與環(huán)境的狀態(tài)。

在層次任務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過程中,駕駛操縱動(dòng)作可以分為原語(yǔ)任務(wù)和復(fù)合任務(wù),原語(yǔ)任務(wù)為操縱單個(gè)裝置可以完成的任務(wù),符合任務(wù)是指需要操縱多個(gè)裝置才能完成的任務(wù)。

2.5 地理信息庫(kù)構(gòu)建

駕駛教范中一般對(duì)駕駛訓(xùn)練場(chǎng)地有明確的要求,這里將場(chǎng)地要求轉(zhuǎn)換為典型地面特征數(shù)據(jù)描述、地面模型構(gòu)建方法研究。地面特征數(shù)據(jù)按道路類型、地面不平度、車輛與地面作用系數(shù)描述,并形成地面模型。地面特征數(shù)據(jù)按道路類型、地面不平度、車輛與地面作用系數(shù)描述。

地面不平度模型通常采用路面功率譜密度的形式表達(dá),用表示路面不平度,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 7031—1986 車輛振動(dòng)輸入路面平度表示方法的規(guī)定,路面功率譜密度()的擬合表達(dá)式為

式中:表示空間頻率;表示參考空間頻率;()表示參考空間頻率下的路面譜值;表示頻率指數(shù);為路面譜的上限空間頻率;為路面譜的下限空間頻率。

路面不平度一般認(rèn)為是均值為0 的各態(tài)歷經(jīng)過程,在已經(jīng)給出路面不平度自功密度函數(shù)的情況下,可以用有限個(gè)離散空間頻率的三角級(jí)數(shù)來描述路面。

因此對(duì)于二維路面,路面不平度可以表示為(4)式,

式中:表示計(jì)算中正在使用的正弦波序號(hào);為采用的正弦波總數(shù);n表示第個(gè)空間頻率;l表示路面縱向位移;Φ表示相角,是個(gè)在(0～2π)區(qū)間均勻分布且相互獨(dú)立的隨機(jī)變量;α表示路面幅值,

n表示第個(gè)正弦波的上限空間頻率,n表示第個(gè)正弦波的下限空間頻率,為頻率指數(shù)。

對(duì)于三維路面,路面不平度可用(6)式表示:

式中:l表示路面橫向位移,可利用該式構(gòu)造曲面作為車輛的路面邊界。

車輛與地面作用系數(shù),如地面阻力、附著系數(shù)等需要通過車輛實(shí)車試驗(yàn)獲取,利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立車輛與地面作用系數(shù)的系數(shù)庫(kù)。

2.6 操縱動(dòng)作庫(kù)構(gòu)建

依據(jù)2.4.2 節(jié)可知,車輛典型操縱任務(wù)可分為數(shù)字量操作任務(wù)、模擬量操作任務(wù)、邏輯操作任務(wù)和時(shí)序操作任務(wù)。因此操縱動(dòng)作庫(kù)也包含上述任務(wù)。

1)典型數(shù)字量操作任務(wù),包括電源總開關(guān)操作、警報(bào)按鈕操作、起動(dòng)按鈕操作、變速桿操作。

2)典型模擬量操作任務(wù),包括油門、主離合器、制動(dòng)器和方向盤或操縱桿的操作。

3)典型邏輯操作任務(wù),包括主離合器與油門的配合、方向盤與油門的配合。

4)典型時(shí)序操作任務(wù),包括發(fā)動(dòng)、主離合器起車、制動(dòng)器踏板制動(dòng)、聯(lián)合制動(dòng)、停車、換高擋、換低擋、一般轉(zhuǎn)向。

2.7 載荷譜塊庫(kù)構(gòu)建

載荷譜塊是指一定車輛狀態(tài)下有限時(shí)間內(nèi)的車輛載荷譜。譜塊中包括動(dòng)力裝置工況、傳動(dòng)裝置負(fù)載、車速、擋位、方向盤轉(zhuǎn)角、油門開度、制動(dòng)行程、車輛類型、車輛質(zhì)量、坡度和地面類型。數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)動(dòng)力裝置負(fù)載與傳動(dòng)裝置負(fù)載的時(shí)歷數(shù)據(jù)。時(shí)歷數(shù)據(jù)按照對(duì)應(yīng)的車速、擋位、方向盤轉(zhuǎn)角或操縱桿位置、油門開度、制動(dòng)踏板行程、車輛類型、車輛質(zhì)量、坡度和地面類型建立索引。

載荷譜塊可以采用實(shí)車試驗(yàn)或虛擬樣機(jī)試驗(yàn)的方法獲取。

1) 實(shí)車試驗(yàn)獲取載荷譜塊

基于實(shí)車外場(chǎng)試驗(yàn),在試驗(yàn)場(chǎng)或訓(xùn)練場(chǎng),按照訓(xùn)練科目要求實(shí)施動(dòng)作。同時(shí)使用傳感器采集動(dòng)力裝置工況參數(shù)、傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)矩、車速等車輛信息,并記錄地面條件等環(huán)境信息。通過對(duì)載荷數(shù)據(jù)按照操作動(dòng)作進(jìn)行分割,進(jìn)而形成多通道同步載荷數(shù)據(jù)譜塊。

2) 虛擬樣機(jī)試驗(yàn)獲取載荷譜塊

基于車輛動(dòng)力學(xué),針對(duì)典型車輛動(dòng)作進(jìn)行虛擬試驗(yàn),得到每個(gè)車輛動(dòng)作的時(shí)序載荷譜塊。利用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立履帶車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型,利用MATLAB 軟件生成發(fā)動(dòng)機(jī)外特性模型與等級(jí)隨機(jī)路面模型,將發(fā)動(dòng)機(jī)模型與路面模型導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)(MBD)仿真軟件,按照指定操作工況仿真得到主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩時(shí)間歷程。

仿真計(jì)算的主要工作在于建立履帶車輛的多體動(dòng)力學(xué)模型,包括定義各部件的物理屬性、約束關(guān)系、接觸關(guān)系、導(dǎo)入柔性體文件、驅(qū)動(dòng)力矩定義、構(gòu)建路面模型。通過對(duì)載荷數(shù)據(jù)按照操作動(dòng)作分割,進(jìn)而形成多通道同步載荷數(shù)據(jù)譜塊。

3 方法驗(yàn)證

以某型高速履帶車輛的駕駛練習(xí)項(xiàng)目“通過“S”形限制路”為例,對(duì)本文提出的載荷譜編制方法進(jìn)行可行性檢驗(yàn)。

3.1 任務(wù)介紹

假設(shè)訓(xùn)練場(chǎng)地屬于遍布砂石的無坡度山路,地面不平度使用C～F 級(jí)路面近似,地面附著系數(shù)取0.5,地面阻力系數(shù)取0.06,最大地面轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)取0.6。

行進(jìn)路線上設(shè)立限寬出入口,布置3 個(gè)立樁(空心圓形)作為障礙物,如圖8 所示。

圖8 出入口與立樁布置圖Fig.8 Layout of entrance,exit and piles

3.2 編制流程

1)路徑規(guī)劃

預(yù)測(cè)路徑(實(shí)黑曲線)使用車輛質(zhì)心位置軌跡表示,空心圓形為立樁,實(shí)心方形為起點(diǎn),實(shí)心五角形為終點(diǎn),如圖9 所示。

圖9 預(yù)測(cè)路徑Fig.9 Prediction path

2)行動(dòng)規(guī)劃

根據(jù)路徑基于行動(dòng)規(guī)劃算法和駕駛操作規(guī)范,得到車輛行動(dòng)流程:2 擋起步;2 擋換3 擋;3 擋進(jìn)入S 形限制路;保持平均速度達(dá)到教范規(guī)定速度;3 擋右轉(zhuǎn)向跟隨路徑;3 擋左轉(zhuǎn)向跟隨路徑;3 擋右轉(zhuǎn)向跟隨路徑;3 擋左轉(zhuǎn)向跟隨路徑;3 擋加速離開;制動(dòng)停車。

3)操縱動(dòng)作預(yù)測(cè)

每個(gè)行動(dòng)都是一系列單一操縱動(dòng)作按照一定時(shí)序進(jìn)行的組合。

以上述行動(dòng)中“2 擋換3 擋”為例,按照層次任務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃對(duì)復(fù)合任務(wù)“2 擋換3 擋”進(jìn)行動(dòng)作預(yù)測(cè),得到該過程的操縱動(dòng)作時(shí)序?yàn)榫S持油門踏板、松開油門踏板、踏下主離合器踏板、摘2 擋、掛3 擋、松開主離合器踏板、踏下油門踏板、維持油門踏板。通過給操縱動(dòng)作賦予歸一化的水平值,動(dòng)作序列可按照先后次序形成操縱動(dòng)作邏輯序列,如圖10 所示。

圖10 “2 擋換3 擋”操縱動(dòng)作邏輯序列Fig.10 Logic sequence of“shift from the second gear to the third gear”manipulating action

4)操縱動(dòng)作塊選擇

按照操縱動(dòng)作邏輯序列,從操縱動(dòng)作庫(kù)中選擇典型時(shí)序操作任務(wù)“換高擋”,以動(dòng)作水平為輸入查表得到可能的操縱動(dòng)作塊,圖11 所示為其中一個(gè)可能的“2 擋換3 擋”操縱動(dòng)作塊。

圖11 “2 擋換3 擋”操縱動(dòng)作時(shí)序塊Fig.11 Time series block of“shift from the second gear to the third gear”manipulating action

5)譜塊選擇

依據(jù)上文4)中選出的操縱動(dòng)作塊從載荷譜塊庫(kù)(基于人在環(huán)MBD 仿真數(shù)據(jù)建立)中找到對(duì)應(yīng)的載荷譜塊形成的譜塊備選集,以車速和地面阻力系數(shù)為輸入,查表得到車速偏離最小的載荷譜塊,圖12 所示為車速偏離最小的“2 擋換3 擋”載荷譜塊。

圖12 “2 擋換3 擋”載荷譜塊Fig.12 Load spectrum block of“shift from the second gear to the third gear”manipulating action

3.3 編制結(jié)果

根據(jù)單一操縱動(dòng)作的譜塊進(jìn)行組合形成行動(dòng)組合,進(jìn)而形成完整譜塊序列。將動(dòng)作序列拼接生成時(shí)序載荷,如圖13 所示,可見圖13 中顯示的兩側(cè)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩曲線形態(tài)符合運(yùn)動(dòng)邏輯。

圖13 兩側(cè)主動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩Fig.13 Torques on driving wheels of both sides

為了檢驗(yàn)載荷數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際工況的復(fù)現(xiàn)程度,構(gòu)建MBD 仿真環(huán)境(與構(gòu)建載荷譜塊庫(kù)的仿真條件一致),將生成的轉(zhuǎn)矩曲線加載到主動(dòng)輪上驅(qū)動(dòng)車輛仿真模型進(jìn)行逆向仿真,將逆向仿真得到的路徑與預(yù)測(cè)路徑同時(shí)繪制于圖14 進(jìn)行對(duì)比。由圖14 可以看到二者趨勢(shì)吻合,但在縱向和橫向位置都存在偏移,沿縱向位置的橫向最大誤差為18.3%,橫向平均誤差為12.7%。

圖14 逆向仿真路徑與預(yù)測(cè)路徑對(duì)比Fig.14 Comparison of reversely simulated path and predicted path

綜上所述可知,拼接生成的載荷數(shù)據(jù)可以正確地反映車輛工況,但精度需要進(jìn)一步提升。

4 結(jié)論

1)本文提出的方法在操作上具有可行性,該方法既能有效關(guān)聯(lián)車輛實(shí)際任務(wù),又能在短時(shí)間內(nèi)快速生成大量車輛載荷數(shù)據(jù)樣本。

2)該方法的關(guān)鍵是通過軌跡規(guī)劃和動(dòng)作規(guī)劃方法,有效地預(yù)測(cè)車輛行駛路徑與駕駛員操縱動(dòng)作,從而找到對(duì)應(yīng)的載荷譜塊并進(jìn)行快速拼接,形成與實(shí)際工況相符的有效載荷譜,為耐久性臺(tái)架試驗(yàn)、可靠性臺(tái)架試驗(yàn)、裝備壽命估計(jì)提供與實(shí)際情況近似一致的有效載荷輸入。