基于多智能体同步控制的主动悬架工程车辆质心坐标确定方法

《Actuators》：A Multi-Agent Synchronization Control-Based Method for Determining Center-of-Mass Coordinates in Engineering Vehicles with Active Suspension

　　

工程车辆的质心（CoM）坐标随载荷质量、载荷位置和上装姿态而变化，而主动悬架控制系统通常使用固定的CoM参数。为了在不同稳定工况下方便地更新CoM，本研究提出了一种基于多智能体同步控制的主动悬架工程车辆CoM坐标确定方法。每个主动悬架作动器被建模为一个智能体，并开发了一个具有分布式一致性控制器的四作动器多智能体系统，以改善位移同步并减少作动器不同步对垂直支撑力识别的影响。然后，利用质量反应法和质量加权平均建立了CoM坐标确定模型，使得车辆在进入新的稳定工况后可以重新计算车辆CoM。在吊臂姿态角为0°、10°和20°的配备主动悬架的两轴起重机上进行了仿真和整车实验。与测试台架参考测量值相比，最大坐标误差分别为10.51 mm、4.85 mm和92.45 mm。结果表明，所提方法能够在稳定工况下提供与参考值一致的CoM坐标，并支持在载荷状态或上装姿态变化后更新控制参数。

工程车辆（如起重机）的质心（CoM）坐标随载荷质量、载荷位置和上装姿态动态变化，而主动悬架控制系统常采用固定质心参数，导致控制精度下降。现有测试台架测量方法（如四轮称重、倾斜平台法）依赖固定工况，姿态变化后需重复测量，成本高且效率低；动态估计方法（如扩展卡尔曼滤波EKF、无迹卡尔曼滤波UKF、多传感器融合、机器学习）虽适用于动态条件，但需强系统激励和高精度传感器，在低速或准静态工况下精度有限。此外，多作动器液压系统中同步误差（源于液压参数差异、摩擦非线性等）会显著影响基于垂直支撑力的质心坐标识别精度。为解决上述问题，研究人员提出了一种基于多智能体同步控制的主动悬架工程车辆质心坐标确定方法，论文发表在《Actuators》上。该方法通过将每个主动悬架作动器建模为独立智能体，利用分布式一致性控制器改善位移同步，结合质量反应法和质量加权平均，在稳定工况下重新计算质心参数。仿真和整车实验在吊臂姿态角0°、10°和20°下进行，结果表明该方法能提供与测试台架参考值一致的质心坐标，最大误差分别为10.51 mm、4.85 mm和92.45 mm，验证了其在更新载荷状态或上装姿态后控制参数方面的可行性，为工程车辆主动悬架系统提供了一种便捷的质心参数更新途径。

研究人员为开展研究用到的主要关键技术方法包括：首先，将每个主动悬架作动器建模为独立智能体，构建四作动器多智能体系统，并设计分布式一致性控制器（基于完全连通无向图的邻接矩阵）以协调作动器位移同步。其次，采用神经网络PID控制器（NN-PID）进行单作动器局部跟踪，与多智能体同步控制器复合形成总控制电流，抑制相对运动误差。在质心坐标确定方面，利用垂直力平衡和力矩平衡计算弹簧质心水平坐标，引入质量反应法（通过施加小位移扰动并测量支撑力变化）确定质心高度，再结合已知非弹簧质量及其质心坐标，通过质量加权平均获得整车质心坐标。仿真和整车实验平台为两轴起重机（配备主动悬架），实验数据通过位移传感器、压力传感器和姿态角传感器采集，并采用对称往复位移加载方案以减小液压摩擦迟滞影响。

**4.1 Simulation Analysis**
通过仿真分析，研究人员验证了复合控制器（多智能体同步控制器结合神经网络PID）的有效性。在Simulink环境中对四个液压作动器进行位移同步控制仿真，对比未激活和激活同步控制器的工况。结果表明，未激活时作动器位移曲线存在明显偏差，激活后四者位移曲线几乎重叠，最大同步误差和均方根同步误差显著降低，平均跟踪误差未明显增加，证明同步控制器能有效抑制因载荷差异和参数不一致引起的作动器不同步。此外，建立了从作动器主动位移到弹簧质心姿态、垂直支撑力及整车质心迁移的仿真模型，输入不同吊臂姿态角（0°、10°、20°）的主动位移，输出质心轨迹与测试台架参考值接近，验证了仿真模型和质心确定方法的合理性。

**4.2 Experimental Study**
在整车实验中，研究人员以两轴起重机为平台，首先验证了多智能体同步控制器对实际车辆的影响。通过对比有无同步控制器时四个作动器的垂直支撑力响应曲线，发现无同步控制器时支撑力变化趋势差异显著（如左前和右后先增后减，右前和左后先减后增），激活后支撑力变化趋势趋于一致，负载分布更均衡，证明同步控制器改善了作动器协调运动，减少了附加载荷转移。随后，在吊臂姿态角0°、10°和20°下，采用对称往复位移加载方案采集稳态支撑力，结合质量反应法和质量加权平均确定整车质心坐标。与测试台架参考值相比，三个姿态下的坐标误差分别为（X, Y, Z方向）：0°时（-5.90 mm, 6.46 mm, 10.51 mm）、10°时（-3.09 mm, 4.85 mm, 16.12 mm）、20°时（-13.54 mm, 5.19 mm, 92.45 mm）。其中Z方向误差在20°时较大，但相对参考高度（2614 mm）约为3.5%，在可接受范围内。实验结果表明，该方法能准确反映上装姿态变化引起的质心迁移，具有良好的工程适用性。

**5. Discussion**
讨论部分指出，该方法并非用于连续实时跟踪质心轨迹，而是在工程车辆进入稳定工况后重新获取质心参数。与测试台架测量相比，它利用车载作动器和传感器系统，支持载荷状态或上装姿态变化后的控制参数更新；与动态估计方法相比，更适合低速、静态或准静态稳定条件。多智能体同步控制器改善了作动器位移一致性，减少了不同步引起的附加载荷转移，从而增强了垂直支撑力识别的稳定性和质心坐标确定的可靠性。实验验证了在吊臂姿态角0°、10°和20°下方法有效，但存在局限性：仅测试了两种轴起重机三种稳定工况，其他吊臂姿态、载荷质量、载荷位置、地面不平及准动态条件尚未定量评估，未来需结合更多基准测量进一步验证。

**6. Conclusions**
(1) 本研究提出了一种配备主动悬架的重型工程车辆整车质心坐标确定方法。该方法将车辆质量分为弹簧质量（^{sprung mass}）和非弹簧质量（^{unsprung mass}），利用作动器支撑力和质量反应法确定弹簧质量质心，将非弹簧质量及其质心坐标作为已知参数，通过质量加权平均获得不同吊臂姿态下的整车质心坐标，为主动悬架工程车辆的质心坐标确定提供了一种可行途径。
(2) 建立了描述作动器主动位移输入、弹簧质心姿态、垂直支撑力与整车质心迁移关系的仿真模型。仿真结果表明，作动器主动位移可诱发弹簧质心的俯仰和侧倾姿态变化，进而导致四个作动器垂直支撑力重新分布；不同吊臂姿态下的仿真质心结果与参考值一致性良好，表明所建模型能合理反映吊臂姿态变化引起的整车质心迁移。
(3) 通过整车实验验证了多智能体同步控制器和整车质心确定方法的有效性。实验结果显示，激活同步控制器后，四个作动器支撑力响应一致性提高，支撑负载分布更协调；在吊臂姿态角0°、10°和20°下，所提方法获得的整车质心坐标与参考值吻合良好，验证了该方法在测试车辆稳定工况下的可行性。