基于神经网络的履带车辆起伏路面最大行驶速度预测

段誉 谢欢

摘 要：为了对履带车辆在起伏路面行驶时的最大车速进行预测，提出了一种结合多体动力学建模理论、试验设计和近似模型的计算方法，结果表明：随着路面不平度系数和车速的提升，车辆受到的振动响应相应增加；本文提出的方法可以直接高效地计算车辆通过已知不平度系数的起伏路面时的最大行驶速度。

关键词：履带车辆；仿真；近似模型；速度预测

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.175

不同路面种类对履带车辆的越野行驶造成的影响各不相同，其中起伏路面最为常见[1]。预测车辆受路面不平度限制的最大行驶速度，是开展机动性评估的一种重要方法。

本文依托履带车辆多体动力学模型进行仿真计算，确定限制起伏路面车速的振动响应评价指标，建立近似模型对车辆在不同等级路面的最大行驶速度进行预测。该模型全面考虑了各等级路面的影响和不同振动响应指标对车速的限制，较好地平衡了计算精度和耗费的资源。

1 履带车辆动力学仿真计算

为了准确反映履带车辆的通过各等级起伏路面的振动特性，建立底盘系统多体动力学模型和随机路面数学模型，采用试验设计的方法进行大量仿真计算，将计算结果转化为三种振动评价指标。

1.1 履带车辆底盘系统动力学模型

以某型高速履带车辆为例，建立动力学模型时，将所有部件假设为刚体。其中，上装、动力传动系统与车体合并为一个刚体；行动系统简化为主动轮、负重轮、托带轮、诱导轮、履带张紧机构、履带以及弹性阻尼元件等。各部件之间通过旋转副、球副等运动副和接触力、弹簧阻尼力等进行约束，得到完整约束系统，建立如图1所示的履带车辆底盘系统动力学模型[2]。

1.2 履带车辆起伏路面振动响应评价指标

履带车辆在崎岖道路行驶时，随着车速的升高，车辆通常会发生剧烈的振动[3]。因此，履带车辆在起伏路面的最大行驶速度可以通过车辆或者乘员承受振动的极限来确定。

车辆行驶产生的振动响应可以从乘员舒适性、吸收功率标准和悬挂动行程等三个方面进行评价，其中乘坐舒适性的要求乘员座椅處振动加速度加权总均方根值；吸收功率标准对应的极限垂向加权加速度均方根值为0.69；

避免“悬挂击穿”需满足第一负重轮动行程的均方根值的门限值为0.12。

1.3 基于试验设计的仿真计算

以路面不平度与车速为设计变量，采用近似模型替代原有复杂模型可以大量减少仿真次数，并直观地描述路面不平度与车速之间的数学关系。采用最优拉丁超立方设计在路面不平度系数和车速ν的取值范围内选取20组样本点，图2为选取的样本点分布示意图。

2 起伏路面最大行驶速度预测

2.1 径向基神经网络近似模型

采用径向基神经网络模型该模型替代复杂车辆系统动力学模型描述路面不平度与车速间的数学关系。

以三种振动响应评价指标为目标函数、路面不平度和车速为设计变量，将20组仿真结果代入神经网络模型完成训练，得到设计变量与目标函数间的近似模型如图3所示。

2.2 履带车辆最大行驶速度预测模型

根据近似模型求解最大行驶速度的过程可以简化为隐式约束优化问题：以路面不平度系数G为变量，以振动响应量为约束，求解目标函数车速v的全局最优解。因此，履带车辆在起伏路面下的最大行驶速度计算模型可以表示为：

以路面不平度均值处为例，代入近似模型中得到车速与三种振动响应量之间的关系曲线如图4所示，由式（5）计算得到最大行驶速度为v=6.23m/s。

3 结论

利用履带车辆动力学仿真计算结果建立了基于神经网络的近似模型，提出了履带车辆在起伏路面下最大车速的预测方法，得到了路面不平度系数与车速间的数学关系，可以直接高效地计算已知路面谱路面的最大车速。

参考文献：

[1]丁法乾.履带式装甲车辆悬挂系统动力学[M].北京：国防工业出版社，2004：67-77.

[2]孟磊，李晓雷，邱实等.履带对履带车辆车体振动影响的分析[J].车辆与动力技术，2015（04）：1-5.

[3]王钦龙，王红岩，芮强.基于多目标遗传算法的高速履带车辆动力学模型参数修正研究[J].兵工学报，2016，37（06）：969-978.

作者简介：段誉（1994-），男，湖北黄冈人，硕士研究生在读，主要研究方向：装甲车辆仿真。