一种线控四轮转向电动叉车的多故障检测和隔离方法技术

本发明专利技术涉及一种线控四轮转向电动叉车的多故障检测和隔离方法，包括：建立电动叉车三自由度动力学模型；构造故障模型；设计自适应滑模变结构观测器；对每一个可能故障部位设置一个自适应滑模变结构观测器，并设定不同的故障阈值；根据残差准确判断具体哪个传感器或执行器发生故障，并判断具体的故障时间；若发生故障，及时对故障进行隔离，并提醒驾驶员有故障发生；若未发生故障，则以设定的时间间隔循环执行步骤(1)到步骤(6)，实现线控四轮转向电动叉车的故障检测和隔离。本发明专利技术可以快速精确定位，合理地对执行器故障和观测器故障进行故障隔离，使得线控四轮转向电动叉车在各种复杂的工况下都具有良好的安全性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种线控四轮转向电动叉车的多故障检测和隔离方法
本专利技术涉及安全辅助驾驶及智能故障检测
，尤其是线控四轮转向电动叉车的多故障检测和隔离方法。
技术介绍
近年来，随着工业化和科技的发展，工程车辆愈加频繁的被使用。同时随着汽车科技的发展，更先进的技术也别运用于工程车辆，提高了其操作性、安全性和驾驶稳定性。其中，叉车作为一种主要的货物搬运车辆，在港口、物流仓库和工厂车间等地方大量的运用。但传统燃油叉车，存在能耗大、环境污染等问题，从未电动叉车被大量应用。四轮独立驱动电动叉车的四个驱动轮转矩可以随意分配，控制灵活，成为当前国内外纯电动车领域的研究热点。同时，线控转向系统具有提高汽车安全性能、改善驾驶特性、增强操纵性和改善驾驶员的路感的特点。叉车工作于这些地点，常遇到空间狭小、转向频繁的工作环境，使得叉车比其它工程车辆相比，工作环境更加恶劣，更需注重转向操作和安全问题。若发生故障时，传统的故障检测隔离方法不能被及时检测和隔离，会导致叉车存在安全隐患，甚至失控，或其它严重安全事故。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种有效保证线控四轮转向电动叉车在复杂工作环境中的可操作性、稳定性和安全性的线控四轮转向电动叉车的多故障检测和隔离方法。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种线控四轮转向电动叉车的多故障检测和隔离方法，该方法包括以下顺序的步骤：(1)根据电动叉车实车建立电动叉车三自由度动力学模型；(2)根据叉车在运行过程中的故障项和未知扰动项，再结合已建立的电动叉车动力学模型，构造故障模型；(3)根据叉车的当前行驶状态确定实际的横摆角速度wr、实际的侧偏角速度pr和实际的方向盘转角值δr；(4)设计自适应滑模变结构观测器，其中加入不连续开关项和根据残差确定的自适应项；(5)对每一个可能故障部位设置一个自适应滑模变结构观测器进行故障监测，并设定不同的故障阈值；(6)设置的自适应滑模变结构观测器个数与传感器或执行器的个数相同，根据残差准确判断具体哪个传感器或执行器发生故障，并判断具体的故障时间；(7)若发生故障，及时对故障进行隔离，并提醒驾驶员有故障发生；(8)若未发生故障，则以设定的时间间隔循环执行步骤(1)到步骤(6)，实现线控四轮转向电动叉车的故障检测和隔离。在所述步骤(1)中，按如下方式建立线控四轮转向电动叉车的电动叉车三自由度动力学模型：根据叉车动力学原理，出下述三个方程式：确定绕X轴的侧倾运动方程如式(1)：确定绕Y轴的侧向运动方程如式(2)：确定绕Z轴的横摆运动方程如式(3)：Ix为悬挂质量绕X轴转动惯量；为横摆角加速度；为侧倾角加速度；Mxi为各力矩在X轴方向的分力矩；Ixz为整车绕X轴与Z轴惯量积；FYi为各力矩在轴方Y向的分力矩；Lx为X轴方向作用于悬挂质量的外力矩；m为车辆质量；为侧向加速度；u为纵向前进速度；ω为横摆角速度；ms为簧载质量；hs为簧载质量质心到侧倾中心轴的垂直距离；FYi为各力在Y轴方向的分力；FY为沿Y轴方向总的外力；Iz为绕Z轴转动惯量；Mzi为各力矩在Z轴方向的分力矩；Mz为对Z轴的总的外力矩；p为侧倾角速度；确定线控四轮转向电动叉车转矩平衡方程，如式(4)至式(6)：FY＝FY1+FY2+FY3+FY4(5)Mz＝a(FY1+FY2)-b(FY3+FY4)(6)因为叉车φ值很小，近似认为sinφ＝φ，cosφ＝1，联立式(1)至式(6)，可得以下方程组：FY1为前轴左轮的垂直载荷；FY2为前轴右轮的垂直载荷；FY3为后轴左轮的垂直载荷；FY4为后轴右轮的垂直载荷；a、b分别为叉车质心到前、后轴的距离；g为重力加速度；为质心侧偏角速度；kφ为悬架侧倾角刚度；Rf为前轴侧倾转向系数；cφ为悬架侧倾角阻尼；φ为车身侧倾角；δf为叉车的前轮转角；δr为叉车的后轮转角；Rr为后轴侧倾转向系数；kf前轴轮胎的等效侧偏刚度；kr后轴轮胎的等效侧偏刚度；横摆角加速度；将横摆角速度ω、质心侧偏角β、车身侧倾角φ、侧倾角速度p为状态变量，将以上方程可写为如下状态空间方程形式：式中：M3＝[k1k1a00]Tx(t)＝[ωβφp]T；U＝δf；其中：U为输入项，输入量为前轮转角角度；A、B、C、M1、M2、M3为含有叉车实车数据的矩阵。在所述步骤(2)中，所述故障项包括输入干扰项、传感器故障项和执行器故障项，加入输入干扰项、传感器故障项和执行器故障项可得到故障方程：式中，xp(t)的导数；xp(t)∈Rn：xp(t)＝[ωβφp]T不可测状态量；u(t)∈Rl：输入向量；yp(t)∈Rm：输出向量；Dp：未知扰动等不确定向量；d(t)为未知扰动；fs∈Rm：传感器故障向量；fa∈Rm：执行器故障向量；Esp：已知的传感器故障分布矩阵；Eap：已知的执行器故障分布矩阵；Ap，Bp，Cp：已知常数矩阵；为将输出项设计为只与状态量xp(t)有关，存在非奇异变换矩阵T0，进行变换，其中有系统状态方程可表示为：其中：A1、A2、A3、A4、B1、B2、C2、D2、E1、E2均已给出维数，由关系式CpT0＝[0C2]，通过LMI工具箱求出其具体矩阵，式中T0为人为设定矩阵，x1∈R(n+h)×(n+h),x2∈Rp，A1∈R(n+h-p)×(n+h-p)，A2∈R(n+h-p)×p，A3∈Rp×(n+h-p)，A4∈Rp×p，B1∈R(n+h)-p，B2∈Rp，D2∈Rp×(q+h)，E1∈R(n+h)-p，E2∈Rp，C2∈Rp；把方程(9)根据T0变换为方程(10)，中不含有故障项，只有未知扰动项，A1、A2、B1、E1为经数学变换后参数；同理，中同时含有故障项和干扰项，A3、A4、B2、D2、E2为经数学变换后参数；y(t)＝C2x2(t)中C2为经数学变换后参数。在所述步骤(3)中，分别利用横摆角速度传感器、侧偏角速度传感器、方向盘转角传感器测得叉车在当前行驶状态下的横摆角速度wr、侧偏角速度pr、方向盘转角值δr；利用电压传感器测得左前轮驱动电机电压Uf1、右前轮驱动电机电压Uf2、左后轮驱动电机电压Ur1、右后轮驱动电机电压Ur2。在所述步骤(4)中，设计自适应滑模变结构观测器具体是指：其中：为状态量；u(t)为输入量，输入量为转角值；v为不连续项；L为待设置矩阵；为观测器观测的扰动；为输出量；定义不连续项v，加入到自适应滑模变结构观测器中，其中，ζ为适当参数；F为待计算的适维矩阵；ey为观测器生成残差；同时利用残差只包括故障信息，设计一种故障估计算法，该算法包含有包含自适应率，同时得到该算法表达式为：为基于残差的一种故障估计算法，E0为设计的适维矩阵，ey为状态观测误差，β为变结构参数，F为适维矩阵。在所述步骤(5)中，设置各传感器和执行器的阈值，此阈值为正常工作状态下的最大值；横摆角速度传感器阈值为μw；侧偏角速度传感器阈值为μp；方向盘转角传感器阈值为μδ；左前轮驱动电机输出电压阈值为μf1；右前轮驱动电机输出电压阈值为μl2；左后轮驱动电机输出电压阈值为μr1；右后轮驱动电机输出电压阈值为μr2；当横摆角速度传感器发生故障时，输出的量为we；当侧偏角速度传感器发生故障时，输出的量为pe；当方向盘转角传感器发生故障时，输出的量为δe；执行器为直流驱动电机，用电压控制电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种线控四轮转向电动叉车的多故障检测和隔离方法，其特征在于：该方法包括以下顺序的步骤：(1)根据电动叉车实车建立电动叉车三自由度动力学模型；(2)根据叉车在运行过程中的故障项和未知扰动项，再结合已建立的电动叉车动力学模型，构造故障模型；(3)根据叉车的当前行驶状态确定实际的横摆角速度wr、实际的侧偏角速度pr和实际的方向盘转角值δr；(4)设计自适应滑模变结构观测器，其中加入不连续开关项和根据残差确定的自适应项；(5)对每一个可能故障部位设置一个自适应滑模变结构观测器进行故障监测，并设定不同的故障阈值；(6)设置的自适应滑模变结构观测器个数与传感器或执行器的个数相同，根据残差准确判断具体哪个传感器或执行器发生故障，并判断具体的故障时间；(7)若发生故障，及时对故障进行隔离，并提醒驾驶员有故障发生；(8)若未发生故障，则以设定的时间间隔循环执行步骤(1)到步骤(6)，实现线控四轮转向电动叉车的故障检测和隔离。

【技术特征摘要】
1.一种线控四轮转向电动叉车的多故障检测和隔离方法，其特征在于：该方法包括以下顺序的步骤：(1)根据电动叉车实车建立电动叉车三自由度动力学模型；(2)根据叉车在运行过程中的故障项和未知扰动项，再结合已建立的电动叉车动力学模型，构造故障模型；(3)根据叉车的当前行驶状态确定实际的横摆角速度wr、实际的侧偏角速度pr和实际的方向盘转角值δr；(4)设计自适应滑模变结构观测器，其中加入不连续开关项和根据残差确定的自适应项；(5)对每一个可能故障部位设置一个自适应滑模变结构观测器进行故障监测，并设定不同的故障阈值；(6)设置的自适应滑模变结构观测器个数与传感器或执行器的个数相同，根据残差准确判断具体哪个传感器或执行器发生故障，并判断具体的故障时间；(7)若发生故障，及时对故障进行隔离，并提醒驾驶员有故障发生；(8)若未发生故障，则以设定的时间间隔循环执行步骤(1)到步骤(6)，实现线控四轮转向电动叉车的故障检测和隔离。2.根据权利要求1所述的线控四轮转向电动叉车的多故障检测和隔离方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，按如下方式建立线控四轮转向电动叉车的电动叉车三自由度动力学模型：根据叉车动力学原理，出下述三个方程式：确定绕X轴的侧倾运动方程如式(1)：确定绕Y轴的侧向运动方程如式(2)：确定绕Z轴的横摆运动方程如式(3)：Ix为悬挂质量绕X轴转动惯量；为横摆角加速度；为侧倾角加速度；Mxi为各力矩在X轴方向的分力矩；Ixz为整车绕X轴与Z轴惯量积；FYi为各力矩在轴方Y向的分力矩；Lx为X轴方向作用于悬挂质量的外力矩；m为车辆质量；为侧向加速度；u为纵向前进速度；ω为横摆角速度；ms为簧载质量；hs为簧载质量质心到侧倾中心轴的垂直距离；FYi为各力在Y轴方向的分力；FY为沿Y轴方向总的外力；Iz为绕Z轴转动惯量；Mzi为各力矩在Z轴方向的分力矩；Mz为对Z轴的总的外力矩；p为侧倾角速度；确定线控四轮转向电动叉车转矩平衡方程，如式(4)至式(6)：FY＝FY1+FY2+FY3+FY4(5)Mz＝a(FY1+FY2)-b(FY3+FY4)(6)因为叉车φ值很小，近似认为sinφ＝φ，cosφ＝1，联立式(1)至式(6)，可得以下方程组：FY1为前轴左轮的垂直载荷；FY2为前轴右轮的垂直载荷；FY3为后轴左轮的垂直载荷；FY4为后轴右轮的垂直载荷；a、b分别为叉车质心到前、后轴的距离；g为重力加速度；为质心侧偏角速度；kφ为悬架侧倾角刚度；Rf为前轴侧倾转向系数；cφ为悬架侧倾角阻尼；φ为车身侧倾角；δf为叉车的前轮转角；δr为叉车的后轮转角；Rr为后轴侧倾转向系数；kf前轴轮胎的等效侧偏刚度；kr后轴轮胎的等效侧偏刚度；横摆角加速度；将横摆角速度ω、质心侧偏角β、车身侧倾角φ、侧倾角速度p为状态变量，将以上方程可写为如下状态空间方程形式：式中：M3＝[k1k1a00]Tx(t)＝[ωβφp]T；U＝δf；其中：U为输入项，输入量为前轮转角角度；A、B、C、M1、M2、M3为含有叉车实车数据的矩阵。3.根据权利要求1所述的线控四轮转向电动叉车的多故障检测和隔离方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，所述故障项包括输入干扰项、传感器故障项和执行器故障项，加入输入干扰项、传感器故障项和执行器故障项可得到故障方程：式中，xp(t)的导数；xp(t)∈Rn：xp(t)＝[ωβφp]T不可测状态量；u(t)∈Rl：输入向量；yp(...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖本贤，孙铮，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34