复杂多变的路面状况对野外作业车辆的越野性能提出了严苛的要求。二自由度铰接式结构的轮式车辆具有转向半径小、机动性好、地形适应能力强等优点,广泛应用于复杂地形下的作业活动。本文以铰接式车辆为基础,结合国内外机器人领域及军用车辆的已有研究成果,设计了具有铰接车体的车辆,通过铰关节连接使前车体和后车体之间产生大角度的横摆运动及扭转运动,保证了在越障时各车轮与地面的充分接触,能够提供足够的牵引力,使车辆的地形适应能力更强,使车辆的越障性能更优越。本课题得到国家自然科学基金“2自由度铰接车体车辆路径偏移饱和控制及基于区间法的稳定性分析”资助(基金号51405187)及国家高技术研究发展计划“863”计划项目“面向复杂非结构地形具有2自由度铰接车体的轮式机器人”的支持(基金号2007AA04Z208)。在二自由度铰接车体车辆越障性能测试过程中,发现车辆在越障过程中会出现明显的路径偏移现象,这会极大的影响车辆的操控性,需要不断的转向以调整车辆的运动方向,频繁的转向会使车辆产生很大的侧向加速度和侧向力;且车辆在复杂的地形下运动时,前车体和后车体的位置、姿态不断变化,车辆的受力十分复杂,这会导致车辆的越障稳定性降低,容易造成倾翻事故。为了充分发挥本车的优势,使其深入更恶劣的环境中进行作业,克服人力操纵的局限性,避免车辆倾翻,需将其设计为无人操控车辆,而越障稳定性分析及偏移控制正是实现本车无人化的关键技术。二自由度铰接车体车辆的越障性能是车辆的重要指标,为了分析车辆的越障能力,需要建立车辆越障时的动力学模型,这是车辆性能分析的基础。二自由度铰接车体车辆通常在复杂地形下运动,因此在分析车辆的越障性能中,采用多刚体动力学方法,建立了车辆在复杂地形下的7自由度动力学模型,并且考虑了车辆的液压转向机构柔性和轮胎力学特性对车辆越障时的的动力学性能的影响,使二自由度铰接车体车辆的动力学模型适用性更强、更准确。根据文献资料统计,90%以上的工程车辆倾翻事故是在坡道等复杂地形下运动或作业引起的,因此分析铰接车体车辆在运动或者作业过程中的稳定性,对于保障操作者的安全、避免发生重大安全事故和财产损失有重要的意义。本文以推导的车辆7自由度动力学模型为基础,采用横向载荷转移率为稳定性判断依据,对车辆越障过程中的稳定性进行分析。首先采用数值仿真的方法分别分析了车辆在通过不同的障碍时,不同的转向速度和不同的转向角度对车辆稳定性的影响;其次,进行车辆的越障稳定性实验,测试了车辆在通过不同障碍地形时,转向角度、转向角速度和姿态角对车辆的稳定性影响等;最后,通过车辆的越障实验测试结果与稳定性仿真分析结果进行对比,验证了建立的二自由度铰接车体车辆的7自由度动力学模型的正确性,采用此动力学模型和稳定性判据相结,可以对车辆的越障稳定性进行分析和预测。二自由度铰接车体车辆在作业中,整车的质心产生变化,会对车辆的稳定性产生很大的影响,应用多刚体动力学方法,建立了车辆在作业过程中的动力学模型,通过仿真分析和实验,研究了不同的挖掘物质量、不同的动臂横摆角速度和不同的侧倾角对车辆作业稳定性的影响。在对二自由度铰接车体车辆的越障偏移现象进行分析时,首先,采用多刚体运动学方法建立了车辆越障时的运动学微分方程;然后,根据运动学微分方程对车辆越障过程进行了仿真分析,仿真结果证明了车辆在越障过程中运动方向存在偏移;最后,通过车辆越障实验进行了验证,证明了仿真分析和实验结果的一致性。通过对车辆越障运动学方程的分析可知,前车体和后车体的纵向扭摆是车辆产生运动偏移的主要原因。在铰接式车辆的结构设计中,为了更好的适应地形,大多数铰接式车辆的前车桥和后车桥都存在纵向的扭摆,因此在二自由度铰接车体车辆越障偏移分析时采用的方法和得到的结论对摆动式车桥车辆均适用。二自由度铰接车体车辆可以通过无人操控使车辆完成危险环境下的作业或者运动路径精准的作业,而车辆的运动路径偏移控制是实现车辆无人操控的核心技术之一,因此研究车辆的路径偏移控制技术具有重要的应用价值和意义。在工程应用中普遍存在控制输入饱和的问题,因此在铰接车体车辆的路径偏移控制中,考虑了控制输入的饱和现象。首先,建立了车辆路径偏移的误差动力学模型;然后,采用反步法设计了系统的抗饱和控制器;最后,通过仿真分析和实验的方法可知,当车辆进行圆周运动和直线运动时,设计的抗饱和控制算法能有效的对路径偏移误差进行抑制。