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)測操縱動(dòng)作,對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?？梢钥吹饺叩膿跷环植济黠@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、場地規(guī)范對駕駛員的技術(shù)動(dòng)作和場地的環(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,不同等級駕駛員對同一個(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)測車輛路徑與動(dòng)作,然后進(jìn)行車速預(yù)測與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)操縱預(yù)測,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)?、道路曲率等信?利用動(dòng)作預(yù)測算法尋找最優(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)對應(yīng)的車輛預(yù)測位姿與預(yù)測車速。

操縱預(yù)測。依據(jù)動(dòng)作預(yù)測得到的車速序列,結(jié)合操縱動(dòng)作庫中的駕駛操作動(dòng)作,利用決策模型預(yù)測可行的車輛操縱動(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、載荷譜庫,利用查表法在載荷譜庫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、操縱動(dòng)作庫、載荷譜塊庫、車輛參數(shù)。

1) 地理信息庫。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)一存儲于數(shù)據(jù)庫。

2) 操縱動(dòng)作庫。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。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)庫存儲動(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)不會與環(huán)境物體發(fā)生碰撞。路徑規(guī)劃需要預(yù)測從起始點(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)主要研究內(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。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,車輛行駛速度由駕駛員期望的速度進(jìn)行預(yù)測。

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),對應(yīng)著駕駛員在路上預(yù)測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。

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

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。對于前者,采用層次任務(wù)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的方法解決。

層次任務(wù)網(wǎng)絡(luò)是基于知識的規(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)作可以分為原語任務(wù)和復(fù)合任務(wù),原語任務(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 地理信息庫構(gòu)建

駕駛教范中一般對駕駛訓(xùn)練場地有明確的要求,這里將場地要求轉(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數(shù)來描述路面。

因此對于二維路面,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;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。

2.6 操縱動(dòng)作庫構(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)庫存儲動(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)車外場試驗(yàn),在試驗(yàn)場或訓(xùn)練場,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)練場地屬于遍布砂石的無坡度山路,地面不平度使用C～F 級路面近似,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

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)劃對復(fù)合任務(wù)“2 擋換3 擋”進(jìn)行動(dòng)作預(yù)測,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(基于人在環(huán)MBD 仿真數(shù)據(jù)建立)中找到對應(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)測路徑同時(shí)繪制于圖14 進(jìn)行對比。由圖14 可以看到二者趨勢吻合,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)測路徑對比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)測車輛行駛路徑與駕駛員操縱動(dòng)作,從而找到對應(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,為耐久性臺架試驗(yàn)、可靠性臺架試驗(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。