重症监护型救护车车身姿态协同控制与舒适性研究

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救护车作为以“追赶生命时间”为导向的特种车辆,常面临紧急制动、加速、转向避让等紧急工况,容易导致患者(尤其是心血管和重危患者)出现恶心、眩晕、颅内血压增高等不良反应,进而造成二次伤害甚至死亡;同时,车身姿态的不稳定妨碍了车内医护人员实施紧急救护;此外,现代重症监护型救护车车内配备了大量的紧急救治器材和监护检测设备,提高了车辆整备质量和质心高度,使得行驶过程中不稳定的车身姿态进一步加剧。悬架系统是车辆底盘的关键部件,其运动模态特性直接决定了患者舒适性和车身姿态稳定性。目前重症监护型救护车大都由轻型货车或越野汽车底盘直接改装而成,其沿用的传统悬架存在悬架运动模态耦合的固有缺陷,无法同时解决患者舒适性和车身姿态稳定性等多个目标之间的矛盾,不能满足现代重症救护车高性能需求。为此,本文在国家自然科学基金(51675152)和企业横向课题资助下,围绕抗俯仰—侧倾液压互联悬架(Xtype Pitch-and Roll-resistant Hydraulically Interconnected Suspension,XPR-HIS)系统,开展救护车车身姿态协同控制与舒适性研究。主要研究内容及创新性贡献如下:(1)提出液压互联悬架“机—液—气”耦合动力学建模方法。该方法考虑液压互联系统中气液混合流体的时变特性,推导了混合流体随压力变化的时变方程;此外,基于圆形薄板弯曲变形理论推导了阻尼阀阀片变形方程,提出一种非线性修正函数校正阀片形变误差,并采用有限元方法对非线性修正函数进行辨识,继而推导阀片变形所致的阻尼阀变开度节流特性方程。结合管路、蓄能器流体动力学方程总结出一套面向液压互联悬架系统的耦合动力学建模方法,并通过单缸互联悬架系统台架试验验证了所提出方法的正确性。对比传统方法表明,提出的建模方法具有能够描述迟滞现象的独特优势。(2)针对重症监护型救护车动力学性能需求,设计一种XPR-HIS系统。结合耦合动力学建模方法及悬架互联构型,建立了救护车整车频域和时域动力学模型,并推导了液压互联悬架附加刚度和阻尼特性显性表达方程。在此基础上进行XPR-HIS系统动态特性分析,研究不同悬架运动模式的刚度和阻尼特性;其次,基于整车频域动力学模型分析系统模态和频率响应特性,研究悬架的固有特性和隔振性能;最后,根据救护车过减速带、紧急转向和制动工况开展时域动力学分析,综合评价车辆平顺性和车身姿态稳定性。分析结果表明,提出的XPR-HIS系统能够有效调节车身姿态和提高车辆舒适性,为提升重症监护型救护车动力学性能提供新的解决方案,亦为后续的参数优化设计和半主动控制提供模型基础和性能参考。(3)提出考虑卧姿人体模型的两级悬架系统参数分层优化方法。根据XPRHIS的解耦优势,引入频域中模态能量谱密度计算方法,研究XPR-HIS系统参数对整车性能的影响,确定系统关键参数;此外,建立头部、躯干、盆骨及此三个部分的连接关节的6自由度患者卧姿人体模型,结合装有XPR-HIS系统的整车模型构建救护车两级悬架系统耦合模型;进而,针对该多变量多目标复杂模型最优解收敛困难的问题提出多目标分层优化方法,该方法通过参数综合灵敏度比值降低了优化过程中的设计变量和优化目标数量。分析结果表明,提出的方法能在不牺牲计算效率的前提下显著提高了悬架性能优化质量和最优解的收敛速度,实现了液压互联悬架和担架悬架参数的最优匹配。(4)设计一种基于阻尼可调式半主动液压互联悬架的自适应模型预测非线性控制器。基于上述参数化分析和优化结果,设计一种压缩和复原行程阻尼独立可控的液压互联悬架系统,进而分析了系统阻尼力调节范围及可行性;针对此悬架系统非线性强耦合特性,采用自适应模型预测控制方法进行非线性控制器设计,控制过程中使用时变卡尔曼滤波观测器实时估计车辆状态信息,并通过仿真分析验证半主动悬架动力学性能及控制效果。仿真结果表明,提出的半主动系统显著降低了车身加速度和轮胎动载荷,提高了车辆平顺性和操纵稳定性。(5)开展台架及实车试验研究。基于本文提出的XPR-HIS系统原理构型,搭建双缸液压互联悬架试验台架,采用准静态和动态加载方式,研究其刚度和阻尼特性;此外,针对救护车常用基础车辆对本文提出的悬架系统进行改制,开展整车过减速带、蛇形绕桩、双移线等平顺性和操纵稳定性试验,从台架到整车的视角对建立的理论模型进行系统的验证。试验结果表明本文提出的XPR-HIS系统能够综合提升救护车平顺性、车身俯仰和侧倾姿态稳定性。本文围绕新型抗俯仰—侧倾液压互联悬架系统开展耦合动力学建模方法、整车动力学分析、两级悬架系统参数优化方法及半主动控制方法等理论和试验研究,综合提高了舒适性与车身姿态稳定性,保障重症患者运输舒适性,为医护人员实施紧急救护措施提供一个稳定安全的环境,亦为救护车产业创新升级提供一种成本可控、切实可行的解决方案。
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