四轮四向叉车非对称转向机构双目标优化研究

摘要

四向叉车是一种集平衡重式、侧面、前移式等多种叉车功能于一体的工业搬运车辆。四向叉车从结构上可分为三支点（三轮）和四支点（四轮）两种类型。与三轮四向叉车相比，四轮四向叉车具有搬运更稳定、转向更安全、起升高度更大等优点。虽然四轮四向叉车具有优异的搬运性能，但是与三轮四向叉车相比，平稳、可靠的转向技术难以实现，从而导致四轮四向叉车还未得到广泛的应用，而且市场上也还未有国产的四轮四向叉车产品。当前，国外叉车生产厂家主要采用电控式转向系统实现四轮四向叉车的转向，但是采用该技术的转向系统具有专利壁垒，同时存在转向不稳定、过载保护能力差、对路面平整度要求高等缺点，而且车辆行驶过程中容易产生堵转现象。由此可见，转向系统是四轮四向叉车的核心技术之一，研制性能良好且稳定可靠的转向系统，是提升四轮四向叉车运动性能的关键所在。
　　本文依托宁波市科技计划项目“高端仓储工业车辆科技创新团队”，在分析某型号四轮四向叉车非对称转向机构转向控制原理和动作机制的基础上，对非对称转向机构进行了运动分析并建立了数学模型。为了减小非对称转向机构的转向误差，以接近Ackermann理想转向为优化目标，建立了非对称转向机构双目标优化函数，采用改进的粒子群优化(IMPSO)算法求解了非对称转向机构双目标优化的Pareto最优解，使用MATLAB的GUI人机界面模块编写了非对称转向机构优化系统软件，为四轮四向叉车非对称转向机构提供了整套的优化设计方法。
　　首先，阐述了论文的研究背景与研究意义，综述了四向叉车的研究现状、转向机构的研究现状以及多目标优化的研究现状，提出了论文的架构及主要研究内容。
　　其次，阐述了非对称转向机构系统，分析了转向系统中重要构件的结构和功能。重点分析了非对称转向机构纵向和横向行驶转向机理，以及横纵与纵横之间相互切换机理。
　　第三，以Ackermann理想四轮转向和两轮转向原理为基础，对非对称转向机构纵向四轮转向和横向两轮转向进行运动学分析，并设定非对称转向机构的优化目标为Ackermann理想转向，建立了非对称转向机构纵向四轮转向和横向两轮转向优化目标函数，构建了优化模型的约束条件。
　　第四，针对非对称转向机构双目标优化问题，引入Pareto最优解集的概念，在标准粒子群优化算法原理的基础上，从极值选取、粒子多样性以及惯性权重这三方面改进了粒子群优化算法，并以改进的粒子群优化算法为基础，建立了适用于非对称转向机构双目标优化问题求解的优化算法。
　　最后，使用MATLAB的GUI人机界面模块开发了“四向叉车转向机构优化设计系统”软件（简称:Ffsmods），在使用Ffsmods软件对某型号四轮四向叉车非对称转向机构进行优化的基础上，从纵向/横向转向性能提高百分比、内外转向轮转角关系、外转向轮转角误差三个方面分析了Pareto最优解集中的非支配解，为非对称转向机构尺寸优化设计提供了方向和依据。样机连续运行测试结果表明，经优化后的非对称转向机构纵四轮转向和横向两轮转向都具有良好的转向性能。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 四向叉车的研究现状

1．3 四轮四向叉车转向机构的研究现状

1．4 多目标优化研究现状

1．5 论文构架与主要研究内容

1．5．1 论文构架

1．5．2 论文的研究内容

第2章 非对称转向机构系统及液压控制原理

2．1 四轮四向叉车概述

2．2 转向系统

2．2．1 油箱组件

2．2．2 阀组件

2．2．3 转向油缸

2．2．4 驱动轮

2．3 液压控制原理

2．3．1 纵向行驶转向

2．3．2 纵向至横向切换

2．3．3 横向行驶转向

2．3．4 横向至纵向切换

2．4 本章小结

第3章 非对称转向机构运动学建模

3．1 Ackermann理想转向原理

3．2 非对称转向机构运动分析

3．2．1 纵向行驶转向运动分析

3．2．2 横向行驶转向运动分析

3．3 非对称转向机构双目标优化模型构建

3．3．1 目标函数

3．3．2 约束条件

3．4 本章小结

第4章 双目标优化算法研究

4．1 多目标优化问题

4．2 Pareto优化

4．3 粒子群优化算法

4．3．1 标准粒子群优化(PSO)算法

4．3．2 改进的多目标粒子群优化算法

4．4 非对称转向机构双目标优化算法

4．5 本章小结

第5章 软件设计与优化结果分析

5．1 优化设计系统软件开发

5．1．1 人机数据交互模块

5．1．2 优化结果处理模块

5．2 非对称转向机构尺寸优化

5．3 样机测试

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间科研成果