作品展示

针对拖拉机在斜坡行驶中受复杂路况激扰易引发的极限态侧翻失稳问题，基于单框架控制力矩陀螺设计了主动侧翻回稳控制系统。以单侧轮胎离地极限侧翻工况为主要研究对象，构建整机和力矩陀螺耦合系统非线性侧倾动力学方程，基于反步设计法推导状态反馈控制律，利用比例模型试验验证力矩陀螺系统主动防侧翻效果。研究表明，提出的控制方法可适用于不同危险程度的极限侧翻工况，为拖拉机主动安全控制提供一定理论依据和技术参考。

1)与传统拖拉机对比 适应面广，功能丰富：本设计可安装于拖拉机底盘前端，可取代静态配重，亦可控制侧向稳定性。 2)与传统剪式双陀螺对比 结构紧凑，鲁棒性强：本设计体积小，回稳力矩大，功耗水平低，可显著改善整机的作业地形适应性。 3)与其它控制系统对比 装配灵活，运转平稳：本设计原理简单，转速平稳，仅用拖拉机车载蓄电池即可工作，无需其他系统配置。

为确保驾驶员生命和农机装备安全，同时系统可通过高速旋转的陀螺转子减速释放能量，在整机牵引负载过大时进行功率补偿，保障丘陵山地拖拉机高质、高效工作。以单侧轮胎离地侧翻工况为主要研究对象，利用欧拉-拉格朗日方程构建了整机和力矩陀螺耦合系统的非线性侧倾动力学方程，并基于反步设计法推导了状态反馈控制律。该控制律可依据侧翻危险程度实时调整陀螺转子的进动角速度，定量输出侧翻回稳力矩。采用的力矩陀螺主动侧翻回稳系统可显著调控拖拉机的侧倾过程，且在实际侧倾角大于静态临界侧倾角9.58%时仍能有效实现侧翻回稳。保障了在复杂崎岖、坡度交错、土质不一的丘陵山区耕作环境中，拖拉机仍能在一定的安全行驶坡度范围内工作。结果表明，提出的力矩陀螺主动侧翻控制系统可在重心垂向投影越过侧倾轴线的极端工况下进行回稳控制，拓宽拖拉机安全行驶坡度范围，理论上可有效保障装备和人员安全。

本作品提出的基于单框架控制力矩陀螺的拖拉机主动侧翻回稳控制方法，可实现拖拉机由极限侧翻失稳工况迅速、平稳回归至稳定状态，有效避免拖拉机严重侧翻事故的发生。硬件系统以外置式陀螺飞轮—电机总成代替传统前配重，使其有进行姿态控制与做配重两个作用，符合整机前后轴的载荷分配规律。本作品可根据整机侧翻危险程度，实时、定量输出侧翻回稳力矩，对小型拖拉机的主动安全控制具有潜在的实际应用价值。