高机动平台的发展表明,高速行驶等机动性能提升导致持续制动功率不断增加、采用单一机械制动其摩擦部件温升过高,亟需加强制动系统缓速匹配的研究。通过分析高机动平台典型制动工况,明确了缓速匹配的设计输入;对多类型缓速技术的发展现状和特性进行分析,提出一种适合高机动制动匹配的新型电缓方案,分析研究了新型电缓的主要关键技术;以40t级高机动平台为背景进行新型缓速性能研究,为高机动平台缓速制动研发提供一种新的技术途径。

地面无人集群由多个地面无人移动平台构成,能够通过各无人平台间相互协同完成统一的系统协同目标,在军事和交通系统等领域能够发挥重要的作用。协同运动规划作为无人集群系统协同的关键技术之一,近年来在理论和应用等方面的研究受到越来越多的关注。针对此研究问题,归纳总结了近年来相关领域的无人集群系统协同运动规划的研究成果,阐述了无人集群协同运动规划技术的研究背景和意义,结合国内外发展现状和研究进展,对多车协同系统的应用进行了表述,并根据主流研究方法使用的框架和算法,对现有的协同运动规划技术进行分类,并讨论了各类方法的主要特点,同时对相关代表性工作进行讨论,提出了无人集群协同规划技术面临的挑战和未来发展方向。

为解决履带车辆动力学优化过程因代理模型构建和应用的不足而导致的参数寻优精度和效率不高的问题,提出基于代理模型进化的参数优化方法,将优化迭代和代理模型动态构建相融合,来降低仿真模型调用次数和提高优化效率。根据车辆几何拓扑结构,构建考虑履带包络效应的车辆多体动力学模型;提出优化设计变量空间的3层子空间划分方法,以及具有空间聚焦、空间约简和跳出局部寻优的多级模糊聚类空间约简方法,实现设计参数在3层子空间的高效缩减。以履带车辆多体动力学模型参数优化过程为例进行应用验证。研究结果表明:在3种路况下的履带车辆多体动力学优化过程降低仿真模型调用次数最高可达85%;表征履带车辆行进特性的综合性能指标分别提升约32.4%、24.5%、20.4%。证明了新方法可有效提高动力学模型的优化效率和精度。

针对直线电机式电磁主动悬架推力波动大、推力密度低的问题,提出一种非均匀齿结构的Halbach圆筒型永磁直线电机。利用解析法对该电机的边端力模型进行推导,并进一步分析非均匀边端齿结构对电机输出性能的影响。根据分析结果选取边端齿的轴向长度和径向削短高度、永磁体高度和径向充磁的长度、内部齿的长度5个参数作为优化因子,以电机输出推力最大和推力波动最小为优化目标进行田口法和响应面法优化,得到参数的最优值。试制了原理样机并搭建了实验平台,对电机进行空载与负载实验,验证了所提结构及其设计优化方法的有效性。

为提升液力变矩器性能的同时优化内部流场载荷分布,在对变矩器叶片设计过程中通过对泵轮动力载荷的合理设计,采用反设计方法并基于流场特性对变矩器能容性能进行定向设计,通过优化叶片形状增大液力元件的能容,同时改善流场平顺性。设计结果表明,反设计方法使泵轮能容提升了5.2%,同时内流场施加到叶表的载荷幅值下降了4.9%,反设计方法实现了泵轮能容的定向优化设计。

车用磁流变减振器(MRD)往往结构尺寸较小,且传统的车用MRD阻尼通道有效工作长度较短,输出阻尼力小,导致其工程应用受到限制。针对这一问题,提出一种带梯形截面导磁环的新型全通道有效MRD以增大阻尼通道有效工作长度,减缓磁饱和,并基于磁流变液流变特性和流体动力学理论给出了具体的结构与磁路设计计算方法,将5种不同结构的MRD进行有限元仿真对比。通过阻尼特性测试试验,分析其阻尼特性并与普通MRD、带弯曲磁路全通道有效MRD进行对比,应用线性二次高斯(LQG)控制器进行减振性能分析。研究结果表明:新型全通道有效MRD能够显著提高阻尼通道有效工作长度,达到阻尼通道全长的99%以上;新型全通道有效MRD能改善小尺寸MRD易发生磁饱和的问题;在相同电流激励与尺寸约束下阻尼通道的磁场强度分布更均匀,平均磁场强度更大,具有更大的输出阻尼力;新型全通道有效MRD在结构尺寸小的同时具有更大的输出阻尼力;新型全通道有效MRD相对于普通MRD具有更好的减振性能,能够进一步降低车辆的簧上质量加速度与轮胎动变形21.51%和1.43%。该研究能有效扩宽小尺寸MRD的实际应用范围,具有一定的工程应用价值。

连续燃烧分缸工作型发动机因其热效率及功率密度高,振动及噪声小,未来将在小型无人机及鱼雷上具有很好的应用前景。该型发动机将压缩、燃烧和膨胀过程分缸进行,同时使用进气掺水、不等缸径、回热器和连续外燃技术,被认为具有极高的热功转换潜力,但目前缺乏对其热力循环的研究,导致在发动机设计过程中缺乏理论指导。将发动机各工作阶段等效为定温压缩、定容加热、定熵膨胀、排气放热与回热共5个工作过程,构建出新型理论热力循环并推导出指示热效率公式。研究结果表明:指示热效率主要由工质热物性、压缩比、膨胀比和回热率决定,增大压缩比或降低膨胀比均可提升指示热效率;应用定温压缩后可扩大回热温差,提升指示热效率,同时还可保持较低的缸内温度和压力;该型发动机热效率及可靠性较传统汽油机、柴油机具有显著优势,发动机指示热效率可达65%以上。

为解决有人与无人车辆编队中,有人领航车紧急加减速和紧急转向控制输入对无人车跟踪控制的扰动问题,设计了一种参数自优化的有人与无人车辆编队鲁棒模型预测控制算法。通过采集分析历史数据确定控制器扰动的噪声极值,并经过适度放缩得到其鲁棒边界。设计抑制该扰动的局部反馈鲁棒控制器,并通过贝叶斯优化的方法实现鲁棒边界等控制器参数自优化。基于混合整数线性优化的方法预测有人领航车未来轨迹,并设计鲁棒模型预测控制器实现无人车对有人领航车的跟踪控制。仿真和实车试验结果表明:所设计的鲁棒模型预测控制器在跟踪精度方面相比于传统模型预测控制器有明显的提升;同时该控制器有效地抵抗了来自有人领航车紧急加减速和紧急转向控制输入、无人跟随车系统模型不确定性和外部环境的扰动,振荡情况明显改善,提高了系统的鲁棒性。

针对国防军事、应急救援等国计民生重要领域中特种车辆行车调平的需求,基于多智能体一致性协同控制相关理论,提出多作动器协同的行车调平方法。将整车垂向模型分解为由作动器驱动的带有相互耦合特性的多智能体悬架节点,建立悬架节点动力学模型。构建基于悬架动行程的趋势引导动态基准和基准误差,摆脱现有调平方法对车身质心铅垂高的依赖,提出基于动态基准误差的多作动器协同行车调平方法。基于汽车系统仿真软件Carsim验证所提方法的有效性。研究结果表明,与整车型调平方法对比,所提方法更好地实现行车调平,调平精度提高了1到2个数量级;研究结果有助于进一步丰富和完善主动悬架控制技术体系,为解决特种车辆行车调平问题提供了全新思路和具体方法。

混合动力装甲车直流微电网的电能质量与稳定性关系到车内所有用电设备是否能够安全可靠运行。针对混合动力装甲车辆车载微电网在大扰动下母线电压震荡乃至失稳的现象,建立计及恒功率负载与发电机组的车载微电网的大扰动模型;基于混合势函数理论得到车载微电网稳定性判据,解决了现有大扰动分析方法不适应混合动力装甲车辆车载微电网的问题,并分析了微电网重要参数与响应速度及稳定性之间的关系。通过硬件在环仿真及台架试验验证了稳定性判据及分析结果的可靠性。结果表明:在大扰动下,满足该判据的系统能够稳定运行。

针对极低温环境下,特种履带车辆机电复合传动装置冷启动时间长的问题,提出一种新型的机电复合传动装置低温快速启动方案,通过对主要加热部件能量转换过程的分析,构建低温启动过程中液压油温升的数学模型。通过控制不同加热部件的功率和加热时机,建立多约束条件下的两种低温启动控制策略:基于规则的策略和基于动态规划的策略,设计多目标优化的指标函数,实现在动力电池能量、加热部件功率等多约束下的最优启动控制。仿真结果表明:多部件加热的低温快速启动方案具备可行性,所提出的启动策略能够实现预期的控制目标;基于动态规划的策略可缩短12.6%的启动时间,同时启动过程耗能降低11.9%,有助于提升机电复合传动装置低温启动的综合效能。

简化模型带来的模型失配以及外部环境不确定性是导致轨迹跟踪误差的主要原因,尤其对于无人履带车辆,其复杂的物理特性和工作环境更放大了两大因素的不利影响。针对该问题,将基于模型和基于数据的控制方法结合起来,提出一种基于模型预测控制结合无模型自适应控制补偿的双侧独立电驱动无人履带车辆轨迹跟踪控制方法。在平衡建模准确度和求解耗时的基础上,利用模型预测控制进行前馈求解。针对模型预测控制中简化模型与车辆实际模型之间必然存在的差异以及环境不确定性,基于动态跟踪效果构建无模型自适应控制算法进行补偿,即利用车辆实际轨迹与模型预测所得轨迹之间的误差,对模型预测控制求解的两侧履带速度控制量进行实时修正。仿真实验结果表明,该方法能够在一定程度上抑制系统内外部不确定因素的影响,提高动态环境下双侧独立电驱动无人履带车辆轨迹跟踪控制的精度。

针对全电坦克双向稳定系统具有复杂的强非线性、强耦合性、强参数时变性等特点,提出了一种基于误差符号积分鲁棒反馈的坦克双向稳定系统自适应积分鲁棒(AIR)控制设计方法。考虑全电坦克双向稳定系统为一个耦合性的、非线性的、不确定性的动力学系统,建立面向真实的全电坦克双向稳定系统机电一体化解析动力学模型;基于Backstepping法融合自适应的思想,引入辅助误差信号设计了AIR控制器,有效衰减系统的未建模扰动;所设计的AIR控制器不需要预先知道未知扰动的上界,而是通过自适应的方法不断更新以获取其上界,降低了其工程应用的保守性;基于Lyapunov理论分析,在连续控制输入下可以保证坦克双向稳定系统获得渐进跟踪性能。通过Recurdyn-Simulink的仿真对比试验,验证所提方法的有效性。

机电复合传动系统作为未来传动形式的主要发展方向,有着传递功率大,运转速度高等特点。在运行过程中转子自身由于高转速所带来的振动会与行星齿轮啮合时产生的振动相互影响,从而形成转子-行星齿轮系统耦合振动过程。建立了机电复合传动转子-行星齿轮系统耦合振动动力学模型,分析了不同转速下转子-行星齿轮系统振动特性,开展了转子-行星齿轮系统模态分析并将模态分析结果与振动特性进行了对比,通过研究转子-行星齿轮系统的振动特性,揭示了系统振动随转速升高而增大,在经过一定转速区间时振动会维持在一定水平内,随着转速继续升高,系统振动又将逐渐增大。通过研究得到了齿轮系统与驱动电机转子耦合作用下的振动特性,为机电复合传动系统高速化设计提供了理论依据。

多轴特种车辆的动力学模型具有强非线性,精细化的物理建模需要准确的模型参数和动力学方程以映射车辆动力学的特性。在无精确的车辆先验物理参数信息和动力学函数关系条件下,为提高车辆动力学建模的保真度,针对某型五轴特种车辆的横向动力学行为,提出了一种基于神经网络的数据建模方法。网络框架主体呈闭环结构,网络输出的状态信息同时作为输入用于预测下一时刻的状态,实现了数据建模递归更新;针对闭环网络模型,设计了闭环结构的训练策略, 在网络模型中引入中间变量,使得网络在训练阶段仍然保持闭环结构;网络模块采用循环门控单元(Gate Recurrent Unit)和全连接网络(Full Neural Networks)的组合方式;数据集由经过实车验证的Trucksim仿真模型生成,分析结果表明:在无精确车辆先验信息条件下,物理建模难以准确预测出车辆的状态信息,数据模型具有更好的保真度。闭环训练方法可以使得闭环结构的网络具有更好的保真度,对于横向速度和横摆角速度预测的最大绝对值误差仅为0.079km/h和0.342°/s,相比于开环训练的结果,最大误差降低了58.40%和49.48%。

针对多智能体攻防体系存在多层次耦合、无规律涌现等特征而导致难以准确预测作战效能的问题,构建一种基于多层次长短时时间记忆(LSTM)网络的多智能体攻防效能动态预测模型。明确多智能体攻防的总体框架和作战流程,通过多主体NetLogo平台模拟红蓝智能体攻防对抗过程,以获取群体结构和作战效能在不同个体决策下的多层次演化数据。利用善于处理时序特征的LSTM网络来表征个体决策、群体结构和作战效能三层间的函数映射,并基于该映射关系进一步预测未来攻防作战效能与进程。上述建模方法已在多组仿真中证实了其可行性与有效性。实验结果表明,所建模型的作战效能预测误差仅在7%以内,对多智能体攻防的作战指挥和体系建设具有指导意义。

伺服变量是斜盘式轴向柱塞泵常用的变量方式,将直接影响到泵的整体性能。伺服变量技术原理复杂,目前仍是阻碍我国斜盘式轴向柱塞泵发展的关键技术。针对高压轴向柱塞泵研发试验过程中遇到的变量压力冲击较大、无法完全制动等,深入研究探索不同因素对变量特性的影响。将动态过程分为启动过程、回位过程、制动过程和制动恢复过程,利用系统建模仿真AMEsim软件建立变量机构数值模型,并通过压力曲线试验和仿真结果对比证实模型的有效性。在不同进口阻尼、回油阻尼、回位弹簧刚度条件下,对伺服变量系统进行了数值模拟。研究结果表明:进口和回油阻尼对变量动态过程均产生影响,弹簧刚度主要对制动过程有影响。

为了奠定高速电驱动履带车辆的操纵稳定性评价及控制的基础,进行了高速电驱动履带车辆开环操纵特性分析及高速电驱动履带车辆横摆运动响应试验,并在此基础上完成了基于人-车-路闭环系统的电驱动履带车辆操纵特性分析。研究结果表明:车速越高,横摆角速度稳定值越小;路面条件越好,车辆横摆角速度响应越快;当考虑电驱动车辆的动态响应特性后,保证闭环系统稳定的驾驶员预瞄时间需要增大,驾驶员最短反应滞后时间缩短;驱动电机响应速度越快,使系统稳定的最小预瞄时间越大。

针对装甲车辆柴油机动力在极寒高原地区使用中所暴露的诸多问题,如起动时间长、功率下降、易过热、冒黑烟、易拉缸等,依据柴油机和燃气轮机不同的结构和工作机理,通过对两种动力的低温起动影响因素和高原工作过程进行详细对比分析,阐明了车用燃气轮机低温直接起动与高原稳定工作的优势所在,为利用燃气轮机动力来改善装甲车辆高原高寒适应性提供了依据。

先导式电液调压阀是大功率湿式离合器换挡系统的核心部件,由于其多个环节存在参数时变和强非线性特征使其频率响应特性发生变化,进而影响换挡过程的油压调节的快速性与稳定性。在剖析先导式电液调压阀工作原理的基础上,考虑阻尼系数、流量系数和增益系数随油温的可变性,建立了先导式电液调压阀在工作过程中的数值模型,并推导了其频域模型。研究了先导式电液调压阀在不同参数下的时域和频域响应特性,得到了参数变化的影响规律。结果表明:增加系统响应的带宽会提高油压响应速度,但会降低阻尼比,使得油压响应的调节时间增加。系统的结构参数、输入信号以及工作油温均会影响其响应特性。基于该方法能够快速的判断先导式电液调压阀在全工作范围内的响应速度和稳定性问题,从而有助于改善先导式电液调压阀的油压动态跟踪性能。

履带车辆与地面之间的作用关系复杂,基于地面剪切位移的方法通常会用到对时间和位置的积分,模型较为复杂,无法直接应用到车辆的实时控制算法中。通常情况下,履带车辆转向分析会将接地压力看作连续线性分布或者多矩形分布,但是试验和计算结果均表明硬质土壤条件下,履带接地压力为多峰值分布,前述两种分布均不能体现接地压力的真实状态。本文针对上述问题,在前人研究的基础上,对履带接地压力分布进行求解,提出了履带车辆接地压力简化模型。该简化模型更符合硬质路面履带接地压力的真实状态,并被应用于履带车辆转向动力学分析与验证。利用J.Y.Wong提出的垂向负载-剪切位移变化关系解决了垂向压力变化的同时剪切位移计算的问题,提出了履带车辆转向分析模型(以下简称分析模型),试验结果表明该模型有较高的精度。但是其复杂度仍然较高,为了进一步简化模型,借鉴轮式车辆轮胎侧偏角和滑转率的概念,利用履带车辆履带-地面剪切位移关系推导了简化履带车辆动力学模型(以下简称简化模型)。该模型避免了复杂的积分或者求和,显著降低了履带车辆动力学模型的复杂度,能够应用于基于模型的无人驾驶履带车辆轨迹控制方法中,且模型精度接近前述履带车辆转向分析模型。

为实现地面移动机器人在复杂地形下的环境探索需求,结合轮式机器人的高速特性和足式机器人对地形适应性强的特征,提出一种轮幅型轮腿复合型机器人,并针对其在移动过程中的振动问题以及爬梯过程中的越障问题,对机器人进行步态研究及性能分析。从静力学分析中得出机器人轮腿结构以不同姿态着地时的受力情况,结合实际情况中机器人运动约束对机器人在前进、转向和越障等任务中的步态进行分析,并基于动力学仿真ADAMS软件建立动力学模型来模拟机器人不同步态下的振动情况以及越障性能。研究结果表明,结合本文提出的步态控制方法,该轮腿复合型机器人在复杂地形环境中具有较好的行进效率和越障能力。

多轮分布式独立驱动平台运动控制技术的演进对提升特种无人车辆的快速机动性及操纵稳定性具有重要的战略意义,然而其底盘主动执行系统的故障率或相互干涉的可能性也大大增加。提出一种面向该平台的可重构集成协调控制方法,以实现车辆动力学性能的进一步提升。基于自顶向下的分层控制结构,在运动控制层引入考虑参数不确定性的自适应滑模控制器,以保证对车辆运动目标状态的准确跟踪,并生成所需的广义控制力;在控制分配层提出一种加权伪逆控制分配器,基于控制效率矩阵的零空间特性,在主动执行器饱和约束可行域内进行再分配修正,以完成从广义控制力到各车轮处轮胎力的优化分配,其中引入的配置矩阵与优化权重系数则分别实现对控制模型的重新配置以及分配目标的调节;通过设置主动执行器实现分配目标的执行。基于6×6分布式电驱动车辆原理样机,进行两种工况下的仿真和试验验证。研究结果表明,该控制器提升了多轮车辆在转向过程中的操纵稳定性,并获得了更高效更精准的多轮车辆驱动力分配控制效果。

传递效率是表征履带车辆综合传动装置性能的重要指标之一,但综合传动装置内部复杂的动力传递路径和外部工作环境导致其传递效率预测模型建模困难,无法保证传递效率的准确计算。基于上述分析,提出一种基于综合传动装置直驶模式下多种工况传递效率数据驱动的传递效率预测方法。对75台综合传动装置不同工况下的传递效率数据进行统计分析并得到统计特征;通过统计特征选择智能优化相关向量机进行传递效率预测建模,进而实现待测综合传动装置在变工况直驶模式下的传递效率预测。结果表明,变工况下测试样本传递效率预测结果的平均绝对误差和均方根误差分别控制在0.01和0.02以内,验证了该方法的可行性和正确性。

针对越野环境中无人履带混合动力平台重规划鲁棒性差、场景适应性弱的问题,提出一种通过融入多目标函数模型进行规划路径重构,采用三次螺旋线对重构路径进行多阶段采样优化来生成重规划路径的方法。该方法主要研究无人履带平台运动过程中行驶路径出现局部动态无解、全局规划被动触发重规划功能、重新生成可达目标点的参考轨迹的策略,重点解决重规划时回退道路行驶的成本最优问题。平台搭载两挡行星自动机械变速器,无人平台在行进过程中可根据行驶速度切换到不同挡位,以应对不同路面条件下的速度需求,保证平台具有较强的可通过性。通过实车平台验证新方法针对不同越野场景,根据通行时间、能量消耗和换挡次数的三参数目标代价函数模型,得到最佳的重规划策略并生成一条最优可通行路径。研究结果表明:基于拓扑路网的多挡无人履带平台路径重规划方法降低了重规划过程的时间和能量成本,在兼备考虑时间、能量以及不同转弯半径和速度时选择适当的挡位,确保平台纵向运动动力性的同时,也充分考虑了时效性和经济性。

针对重载车辆用快响应、易控电涡流缓速器功率密度低的问题,提出一种利用轴向凸起的齿形线圈构建三维磁路,并通过过励磁设计抑制去磁效应的新型电涡流缓速器。应用有限元技术,建立新型高能电缓与传统端面磁路、轴面磁路电缓稳态、似稳态电磁场计算模型,分析新型电缓的磁路、气隙磁密、电涡流分布和过励磁制动特性。结果表明,新型电缓电涡流分布在转子内表面整个轴向空间内,当转速小于3500r/min时,其制动扭矩明显高于另两种传统电缓,且过励磁设计能够有效提升新型电缓的制动性能,线圈电流密度提高至3倍时,制动扭矩增加0.65倍,能够为车辆紧急制动提供瞬时大扭矩,使车辆制动距离缩短30%。

为降低深海着陆车(DSLV)在复杂海底自主作业时规划路径长度及提高路径跟踪精度,提出一种变参数蚁群算法及自适应权重模型预测控制算法。改进了蚁群算法的启发算子和信息素挥发因子,减少规划路径长度和寻优迭代次数;基于DSLV运动学方程建立预测模型,并在跟踪目标函数中引入自适应权重调节思想。仿真结果表明:规划路径长度降低4.60%,跟踪精度提高47.6%;相比传统方法,新算法具有更好的性能,实现了短距离、高精度的路径规划及跟踪。

提出一种基于悬浮式设计的涡轮增压器轴向力测量方案,解决涡轮增压器轴向力测量范围窄和零点漂移问题,通过试验测量了增压器转子轴向载荷。进一步建立包含轮背间隙、密封环间隙的增压器压气机和涡轮仿真分析模型,基于试验结果验证模型的可靠性,并应用该模型研究揭示了增压器压轮和涡轮轴向力随工况的一般变化规律。研究结果表明:外吹状态时,在同一转速下增压器转子轴向力值随压气机端质量流量的减小而增大;自循环状态时,在转速低于额定转速时,增压器转子轴向力随转速的增加而增大,在转速高于额定转速时,增压器转子轴向力随转速的增加而减小;同一转速下,除喘振点附近,压气机轴向载荷随入口质量流量的减小而增大,涡轮轴向载荷随涡轮入口质量流量的增加而增大;压端和涡端轴向载荷最大的两个区域均为叶轮背盘和叶轮轮毂,且两区域轴向载荷方向相反。

履带车辆的制动性能是评判其机动性优劣程度的重要指标之一,发动机引起的扭振在一定程度上会造成制动器制动效果降低,甚至失效。扭振信号常淹没于噪声信号中,因此在分析过程中很难判断所分析的信号是否存在扭振特征。针对上述问题,提出参数优化变分模态分解(VMD)的扭振信号瞬时频率特征提取方法。通过采用粒子群优化算法,以能量熵为适应度函数优化VMD参数,得到最优组合。采用最优参数组合对扭振信号进行降噪和重构,对重构的扭振信号进行零点线性插值,计算两脉冲之间的间隔,得到扭振瞬时转速波动信号。对瞬时转速波动信号进行频谱分析,实现对扭振信号瞬时频率特征提取。惯性载荷扭振实验结果表明:在转子转速为600r/min、扭振激励频率为50Hz的条件下,对采样频率为20480Hz的位移信号做参数优化VMD能精确提取扭振瞬时频率特征,误差小于1%。