内燃平衡重叉车横向稳定性控制系统设计

夏 光， 唐希雯， 汪韶杰， 彭建刚

（1.合肥工业大学 汽车工程技术研究院，安徽 合肥 230009；2.解放军电子工程学院 雷抗系，安徽 合肥 230037）

平衡重式叉车行驶路况复杂，工作环境恶劣，侧翻事故高发［1］。平衡重式叉车在低附着系数路面行驶时，车轮的侧向力不会无限制增长，常常会接近附着极限或达到饱和状态，使平衡重式叉车在实际转向行驶方向时常常偏离正常轨迹，从而出现侧滑、自旋甚至侧翻等丧失稳定性的危险情况［2－3］。

本文针对内燃平衡重叉车进行了液压系统局部改造升级，在转向后桥的单支撑点两侧加装电磁阀控制的锁止液压油缸，当叉车发生侧倾和失去稳定性时，通过电磁阀控制锁止油缸将车架与后桥连接，使平衡重式叉车的三角形支撑面变成不等边梯形支撑面，改善极限工况下的横向稳定性。

1 系统硬件电路设计与实现

硬件设计主要是电子控制单元的硬件设计，其结构框图如图1所示，它表明了内燃平衡重叉车横向稳定性控制系统的基本电路结构及工作过程。主要包括：单片机和最小系统电路、点火系统供电电路、车速信号调理电路、横摆角速度ω、质心侧偏角、载荷W 和方向盘转角等模拟信号调理电路；货叉高度、门架前倾限位和制动等开关信号调理电路；电磁阀驱动电路和故障诊断通信电路。

图1 控制系统结构

1.1 MC9S12XS128及其最小系统

内燃平衡重叉车横向稳定性控制系统选用飞思卡尔16位单片机MC9S12XS128作为控制器的核心单元。MC9S12XS128是112脚封装的一款高性能16位单片机，具有速度快、功能强、成本低、功耗低等特点。由于 MC9S12XS128具有4个16位定时器、8通道12位ADC、内嵌MSCAN模块、8通道脉宽调制器（PWM）以及多个外部中断管脚，使其特别适用于车辆、工业控制应用［4］。

最小系统是指该处理器能正常工作所必须的条件，主要包括电源时钟、复位和BDM接口，如果芯片没有片内程序存储器，则还要加上存储器系统。

1.2 系统硬件电路设计

（1）车速信号调理电路。该电路主要包括电压比较器、巴特沃思滤波、电平转换和隔离限幅电路，把车速（v）等正弦信号转化为处理器可以识别的较高精度的脉冲信号，传递给处理器的捕获口供采集，以提供车速信息。

（2）横摆角速度等模拟信号调理电路。该电路主要通过一阶低通滤波电路对横摆加速度、质心侧偏角、载荷和方向盘转角信号进行滤波，再通过稳压二极管进行限幅，最终送到单片机的A／D口进行采集。

（3）货叉高度等开关信号调理电路。该电路主要通过光耦对货叉高度、门架前倾限位和制动等开关量信号进行处理，然后送至处理器的I／O口以供采集。

（4）电磁阀驱动电路。该电路的主要功能是驱动比例电磁阀，进而改变左右后轮轴锁止油缸油路油压，完成对叉车车架与后轴的逐渐连接与分离，并最终实现叉车的支撑平面由三角形变成不等边梯形。电磁阀驱动电路采用英飞凌智能功率驱动芯片BTS824，即由单片机输出控制信号控制驱动芯片BTS824，驱动芯片再输出控制左右后轮轴锁止油缸比例电磁阀，实现叉车车架与后轴的连接与分离控制操作。

（5）故障诊断电路。该电路功能利用控制器监视传感器、单片机最小系统和电磁阀等各组成部分的工作情况，发现故障后自动启动故障运行程序，将故障以代码的形式（此代码为设计时已经约定好）存入Flash存储器，同时通过故障指示灯提醒驾驶员和维修人员电控系统中出现故障。

2 系统软件设计

2.1 嵌入式实时操作系统μC／OS－II

μC／OS－II是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统，具有可靠性高、移植性强、占用资源少、裁剪方便以及源码公开等诸多优点。一个移植了实时嵌入式操作系统的开发平台可以让开发人员把繁琐的调度交给操作系统，集中精力于模块本身功能的实现，高效率高质量地开发完成车辆电控单元，大大缩短应用产品的开发周期，增强整个系统在实际应用中的可靠性，提高产品的经济效益［5－6］。

μC／OS－II内核包含了任务管理、时间管理、内存管理及进程间通信4个部分。

2.2 移植μC／OS－II到 MC9S12XS128

根据μC／OS－II的要求，移植 μC／OS－II到一个新的体系结构上需要提供与CPU代码相关的3个代码文件［7］，即C语言头文件OS－CPU.H、C语言源文件OS－CPU－C.C和汇编源文件程序OS－CPU－ASM.H。

2.3 基于μC／OS－II的系统软件设计

2.3.1 系统控制策略

叉车载荷变化范围大，工况多变，其稳定性控制非常复杂。采用传统的控制方法对其进行横向稳定性控制，控制效果有时难以满足要求。模糊控制器是一种不需要对控制对象精确建模的控制器，它根据人们的经验制定控制规则得出控制决策表，并可使控制实现过程简单化，特别适合于对叉车进行横向稳定性控制［8－11］，本文对叉车横向稳定性系统采用模糊控制策略进行控制。

横向稳定性模糊控制系统由横摆角速度模糊控制器和质心侧偏角模糊控制器组成。期望横摆角速度和实际横摆角速度的误差e1及误差的变化率ec1为前者的输入，控制输出为；期望的质心侧偏角和实际质心侧偏角的误差e2和误差的变化率ec2为后者的输入，控制输出为TZ2。为了综合控制叉车的横摆角速度和质心侧偏角，采用线性权函数对2个模糊控制器的输出加权，可得最终的后轮轴摇摆锁定力矩为：

其中，n为权系数，n＝0.85。

根据叉车稳定性控制的性能要求，采用7个模糊集合表示输入量及输出量的状态，即｛PB，PM，PS，ZE，NS，NM，NB｝。采用三角形函数作为基本隶属函数，边界采用梯形函数，其中模糊输入的隶属函数在零值附近模糊集的划分密度相对大些，离ZE较远处模糊集的划分密度相对小些，可在一定程度上提高控制的灵敏度，控制器输入、输出的隶属度函数如图2所示。

图2 控制器输入、输出的隶属度函数

根据大量的仿真数据可建立2种模糊控制器的模糊推理规则，结果见表1、表2所列，采用重心法将模糊输出进行反模糊化，可得到模糊控制器的输出和。

表1 横摆角速度模糊控制输出规则表

表1 横摆角速度模糊控制输出规则表

ec 1 e1 NB NMNS ZE PS PMPB NB PB PB PB PB PMZE ZE NMPB PB PB PB PMZE ZE NS PMPMPMPMZE NS NS ZE PMPMPS ZE NS NMNMPS PS PS ZE NMNMNMNMPMZE ZE NMNB NB NB NB PB ZE ZE NMNMNB NB NB

表2 质心侧偏角模糊控制输出规则表

表2 质心侧偏角模糊控制输出规则表

ec 2 e2 NB NMNS ZE PS PMPB NB PB PB PMPMPS ZE ZE NMPB PB PMPMPS ZE ZE NS PB PB PMPMPS ZE NMZE PB PMPMZE NMNMNB PS PMPMZE NS NMNMNB PMZE ZE NS NS NMNMNB PB ZE ZE NS NMNMNMNB

2.3.2 系统软件的总体结构

整个控制系统的软件按照各自实现的功能不同可以分为3个部分，即驱动程序层、任务层和操作系统内核层。根据车辆稳定性控制的要求设计了紧急事件处理、信号采集、控制电流输出和数据通信等4个主要任务，各任务的优先级及功能见表3所列。

系统软件主程序流程如图3所示。

表3 任务优先级和功能描述

图3 系统主程序流程图

2.3.3 任务子程序设计

（1）信号采集。信号采集主要包括横摆加速度和质心侧偏角、载荷和方向盘转角等模拟信号，需要进行A／D采集；货叉高度、门架前倾限位和制动等开关量信号直接读取单片机I／O即可；车速信号需要进行频率信号的捕获。横摆角速度A／D采集和车速捕获采集程序流程如图4、图5所示。

图4 A／D采集程序流程图

图5 车速采集程序流程图

质心侧偏角、载荷和方向盘转角与横摆角速度采集原理相同，在此不再详述。

（2）控制电流输出。该程序通过输出不同占空比的PWM信号控制电磁阀电流，调节锁止液压缸强度，控制电流输出程序流程如图6所示。

图6 控制电流输出程序流程图

该程序主要通过对采集的横摆加速度、载荷、方向盘转角和车速等信号进行处理、分析和判断，输出不同占空比的PWM信号，控制锁止电磁阀开度大小，对锁止液压缸进行增压和减压，进而实现叉车车架与车桥之间的连接面由三角形逐步变成梯形，增加叉车横向稳定性。

首先根据捕获的不同车速进入其相应的处理子程序，在每个对应的处理子程序里，通过对叉车载荷状态的判断，进入相应的满载和空载横向稳定性控制处理程序进行控制参数调整，然后进入侧倾控制处理子程序，根据横摆角速度的采集值与稳定性控制阈值K－thn（n＝1～6）比较判断，得到输出控制电流参数，再参考电流检测结果，输出控制电流，进行锁止液压缸增压和减压，实现对叉车横向稳定性控制。采用C语言对飞思卡尔16位单片机 MC9S12XS128进行编程，使用CodeWarrior for S12（X）V5.0开发环境，程序通过BDM仿真后，下载到MC9S12XS128的内部Flash里，上电后就可以脱离仿真环境运行。

3 实车试验

试验方法主要是实车道路试验，试验车辆为安装有自主开发横向稳定性控制系统的某国产内燃平衡重叉车，如图7所示。

图7 试验车辆

试验工况为初始车速8km／h，路面附着系数为0.8的空载单移线工况，得到的平衡重式叉车横摆角速度、质心侧偏角和车身侧倾角试验数据峰值见表4所列。

表4 单移线工况下试验数据峰值

表4中，ω为横摆角速度；φ1为质心侧偏角；φ2为车身侧倾角。

单移线工况下，与不施加控制相比，采用模糊控制下的平衡重式叉车横摆角速度峰值减小了20%，质心侧偏角峰值减小了25%，车身侧倾角峰值减小了34.4%，且平衡重式叉车质心侧偏角的幅值被限制在±0.1rad之间，表明平衡重式叉车的轨迹保持能力得到提高，车身侧偏角峰值较小，较好地改善了车身姿态。

试验结果表明，采用模糊控制可较好地跟踪横摆角速度，提高轨迹保持能力，且质心侧偏角和车身侧倾角被抑制在一个较小的范围内，改善了车身侧倾角响应，有效避免了平衡重式叉车发生失稳状况。

4 结 论

（1）采用嵌入式操作系统μC／OS－II以及多任务的编程方法大大提高了系统实时性，进而提高了控制器的响应特性。

（2）采用模糊控制方法实现内燃平衡重叉车横向稳定性控制，开发的稳定性控制器可实现叉车车架与车桥之间的支撑面由三角形逐步变成梯形，有效地改善了叉车横向稳定性。

（3）通过实车试验，有效地验证了控制策略的正确性。

［1］司俊德，王国强，闫振华，等.翻车保护结构及其吸能构件设计与性能仿真［J］.农业机械学报，2010，41（8）：20－24.

［2］黄国贤.平衡重式叉车稳定性研究 ［J］.叉车技术，1999（1）：7－14.

［3］张玉新，王国强，陈 超，等.主动防倾翻技术及其在工程车辆上的应用展望［J］.工程机械，2011，42（6）：56－60.

［4］孙同景.Freescale9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术［M］.北京：机械工业出版社，2010：201－267.

［5］温 旭，姜 巍，张金生，等.拟人机器人和嵌入式实时操作系统［J］.计算机工程与应用，2002，38（1）：85－87.

［6］夏 光，唐希雯，汪韶杰，等.汽车磁流变半主动悬架控制系统设计［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2010，33（12）：1765－1769.

［7］Labrosse J J.μC／OS－II源代码公开的实时嵌入式操作系统［M］.邵贝贝，译.北京：中国电力出版社，2001：41－105.

［8］韩峻峰，李玉惠.模糊控制技术［M］.重庆：重庆大学出版社，2003：120－180.

［9］易继锴，侯媛彬.智能控制技术［M］.北京：北京工业大学出版社，1999：65－80.

［10］喻海军，刘翔宇，方 敏.基于ANFIS的汽车ESP控制方法研究［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2010，33（7）：1015－1019.

［11］陈无畏，周惠会，刘翔宇.汽车ESP与ASS分层协调控制研究［J］.机械工程学报，2009，45（8）：190－196.