基于车辆位姿偏差的惯性调控主动悬挂系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于车辆位姿偏差的惯性调控主动悬挂系统及控制方法，系统包括车体、惯性测量单元、电控单元、伺服控制器组、多个车轮及与其一一对应的悬挂伺服作动油缸和测量悬挂伺服作动油缸行程的位移传感器。电控单元读取惯性测量单元测得的车体位姿参数，并计算车体当前时刻与前一时刻的位姿偏差，然后输出位姿控制参数至伺服控制器组，伺服控制器组根据位姿控制参数以及位移传感器的位移反馈值控制各悬挂伺服作动油缸的伸缩，使车辆行驶在不平路面时其质心沿直线或弧线运动，使车体姿态保持不变，从而降低车辆在复杂路面行驶时车体的振动，提高车辆行驶速度、操纵稳定性和行驶平顺性。

Inertial Control Active Suspension System and Control Method Based on Vehicle Posture Deviation

【技术实现步骤摘要】
基于车辆位姿偏差的惯性调控主动悬挂系统及控制方法本申请要求在2018年9月10日提交中国知识产权局的申请号为201811051382.5、名称为“基于车辆位姿偏差的惯性调控主动悬挂控制系统及控制方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
本专利技术涉及一种主动悬挂系统及其控制方法，尤其是一种基于主动悬挂的车辆、通过测量车辆位姿偏差并对主动悬挂机构进行惯性调控的主动悬挂系统及其控制方法，属于车辆控制

技术介绍
悬挂系统是车辆底盘的重要组成部分，其性能直接决定着车辆的乘坐舒适性，操作稳定性和行驶安全性。传统的车辆大多采用被动悬挂，其悬挂参数根据特定路面条件进行设计，一经选定便难以改变，不能随路面状况、车速等发生变化，因此限制了车辆行驶性能的进一步提高。随着电子信息技术的发展以及液压、电气驱动技术的进步，可控悬挂在车辆领域的应用成为可能。目前普遍认为主动控制的可控悬挂技术是提高悬挂性能的有效途径。如果悬挂系统的刚度和阻尼特性能根据车辆的行驶条件(包括车辆的运动状态和路面状况等)进行动态自适应调节，使悬挂系统始终处于最佳减振状态，则称为主动悬挂。主动悬挂具有诸多优点，比如可以控制车身高度，提高通过性，兼顾车辆的平顺性与操纵稳定性等。主动悬挂技术主要包含控制机构和控制策略两大部分。由于执行机构按照控制策略的要求来输出主动力，因此主动悬挂设计的关键，就是选取能够为车辆提供良好性能的控制策略。不同的控制策略，将会产生不同的悬挂特性和减振效果。目前的主动悬挂的控制策略主要包括：最优控制、预瞄控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、天棚阻尼控制、滑模控制、免疫进化控制等。根据文献记载，无论采用何种控制方法，车辆的性能均有不同程度的改善，但各种控制方法也存在一些问题没有得到较好地解决，特别是车辆悬挂系统是个典型的多输入多输出的复杂系统，对于此类复杂系统的控制，其重要问题之一是解耦控制，目前的控制策略对车辆悬挂系统的解耦控制还没有较好地解决。车辆的姿态调节和乘坐舒适性控制是悬挂设计需考虑的两个重要方面，现有研究成果大多是根据不同的需要建立不同的数学模型，各自独立进行设计，并认为车辆的总体性能是这些子系统性能之和；或者对数学模型进行分解，然后再组合起来进行控制。在建立数学模型时没有考虑把姿态控制和乘坐舒适性控制同时进行设计，设计过程复杂。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是提供一种基于车辆位姿偏差的惯性调控主动悬挂系统及控制方法，通过主动控制悬挂伸缩，使车辆在凹凸不平路面行驶时能够使其质心近似沿直线或弧线运动，且车体位姿保持近似不变，从而降低行驶时车体的振动，提高车辆在越野时的行驶速度、操纵稳定性和行驶平顺性。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于车辆位姿偏差的惯性调控主动悬挂系统，包括车体以及多个车轮，还包括惯性测量单元、电控单元、伺服控制器组、与车轮一一对应的悬挂伺服作动油缸和位移传感器，其中惯性测量单元、电控单元以及伺服控制器组固定于车体上，车轮通过悬挂伺服作动油缸连接于车体下方，位移传感器用于测量悬挂伺服作动油缸的行程，所述电控单元分别与惯性测量单元以及伺服控制器组通讯连接，伺服控制器组与位移传感器通讯连接，电控单元读取惯性测量单元测得的车辆位姿参数，并计算车辆当前时刻与前一时刻的位姿偏差，然后输出位姿控制参数至伺服控制器组，伺服控制器组根据电控单元输出的位姿控制参数以及位移传感器的位移反馈值控制各悬挂伺服作动油缸动作，使车辆质心近似沿直线或弧线运动使车体姿态保持不变。基于车辆位姿偏差的惯性调控主动悬挂系统的控制方法，建立以惯性测量单元中心点O为坐标原点的坐标系OXYZ，定义车辆前进的正前方为Y轴正方向，车辆前进的右侧方向为X轴正方向，垂直XOY平面向上的方向为Z轴正方向；定义车体质心为W；在电控单元内部预先设置扫描周期，控制方法包括以下步骤：1)在某个扫描周期内，惯性测量单元测量坐标原点O的垂向位移wO、俯仰角αO与侧倾角βO并输出至电控单元；2)电控单元根据质心W相对坐标原点O的几何关系和坐标原点O的垂向位移wO、俯仰角αO与侧倾角βO，计算车辆质心W处的垂向位移ww、俯仰角αw和侧倾角βw；3)电控单元对垂向位移ww、俯仰角αw和侧倾角βw进行截止频率为ωH的高通滤波，滤波后的垂向位移为wH、俯仰角为αH、侧倾角为βH；4)将步骤3)得到的垂向位移wH、俯仰角αH以及侧倾角βH与上个扫描周期的值进行比较，计算出垂向位移、俯仰角、侧倾角的变化量Δw、Δα、Δβ，以-Δw、-Δα、-Δβ为位姿相对校正量，通过车辆悬挂机构的逆运动学算法计算出车辆各个悬挂伺服作动油缸的伸缩量的目标值，并将该目标值传输至伺服控制器组对各个悬挂伺服作动油缸进行位移伺服控制，实现对车体位姿目标的控制，使垂向位移wH、俯仰角αH以及侧倾角βH尽量保持稳定不变，使车辆质心的轨迹沿直线或弧线运动且车体姿态保持近似不变。本专利技术控制方法的进一步改进在于：车辆质心W处的垂向位移ww、俯仰角αw和侧倾角βw的计算公式如下：其中，设质心W在坐标系OXYZ中的坐标为xW、yW、zW。本专利技术控制方法的进一步改进在于截止频率ωH通过如下方法确定：S1、车辆静止于水平面时，高通滤波后输出的垂向位移wH、俯仰角αH和侧倾角βH均向0收敛；S2、车辆静止停放在所允许的极限横向坡度和纵向坡度上，高通滤波后输出的垂向位移wH、俯仰角αH和侧倾角βH收敛于一个较小的值，该值处于系统稳定控制所必须的误差范围内；S3、在满足S1与S2两种条件下截止频率ωH取低值。由于采用了上述技术方案，本专利技术取得的技术进步是：本专利技术提出的基于惯性调控原理的主动悬挂系统及控制方法，和传统的主动悬挂系统及控制方法相比，本专利技术通过控制各伺服作动油缸的伸缩来控制行驶过程中的车体位姿，能够使其近似保持不变，从而可以降低行驶时车体的振动，提高车辆在复杂路面行驶时的行驶速度、操纵稳定性和行驶平顺性。使用本专利技术的主动悬挂系统和控制方法，一是可以将车辆的姿态调节和乘坐舒适性控制统一起来；二是在车辆行驶过程中可以使各车轮接地点的高低不平，使路面对车体位姿的影响降到较低的水平，即对主动悬挂系统这个多输入多输出的复杂系统进行了较好地解耦。本专利技术高通滤波去除了ww、αw和βw中变化频率较慢的积分误差和因车辆越过缓坡而产生的ww、αw和βw中缓慢变化的部分，后者的去除使得车辆可以沿丘壑的包络面行驶，而不至于使悬挂行程达到极限，使车辆的通过性得以提高。附图说明图1是基于位姿偏差的惯性调控主动悬挂系统结构原理图；图2是基于位姿偏差的四轮车辆惯性调控主动悬挂系统结构原理图；图3是试验所使用三轴车示意图；图4是试验所用三角障碍示意图；图5是测定俯仰角变化的试验方案示意图；图6是测定侧倾角变化的试验方案示意图；图7是三轴车辆以5km/h速度过三角障碍时测量到的车身俯仰角的变化对比图；图8是三轴车辆以10km/h速度过三角障碍时测量到的车身俯仰角的变化对比图；图9是三轴车辆以5km/h速度过三角障碍时测量到的车身侧倾角的变化对比图；图10是三轴车辆以10km/h速度过三角障碍时测量到的车身侧倾角的变化对比图；图11是三轴车辆以5km/h速度过三角障碍时测量到的车身质心垂向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于车辆位姿偏差的惯性调控主动悬挂系统，其特征在于：包括车体以及多个车轮，还包括惯性测量单元、电控单元、伺服控制器组、与车轮一一对应的悬挂伺服作动油缸和位移传感器，其中惯性测量单元、电控单元以及伺服控制器组固定于车体上，车轮通过悬挂伺服作动油缸连接于车体下方，位移传感器用于测量悬挂伺服作动油缸的行程，所述电控单元分别与惯性测量单元以及伺服控制器组通讯连接，伺服控制器组与位移传感器通讯连接，电控单元读取惯性测量单元测得的车辆位姿参数，并计算车辆当前时刻与前一时刻的位姿偏差，然后输出位姿控制参数至伺服控制器组，伺服控制器组根据电控单元输出的位姿控制参数以及位移传感器的位移反馈值控制各悬挂伺服作动油缸动作，使车辆质心近似沿直线或弧线运动使车体姿态保持不变。

【技术特征摘要】
2018.09.10 CN 20181105138251.一种基于车辆位姿偏差的惯性调控主动悬挂系统，其特征在于：包括车体以及多个车轮，还包括惯性测量单元、电控单元、伺服控制器组、与车轮一一对应的悬挂伺服作动油缸和位移传感器，其中惯性测量单元、电控单元以及伺服控制器组固定于车体上，车轮通过悬挂伺服作动油缸连接于车体下方，位移传感器用于测量悬挂伺服作动油缸的行程，所述电控单元分别与惯性测量单元以及伺服控制器组通讯连接，伺服控制器组与位移传感器通讯连接，电控单元读取惯性测量单元测得的车辆位姿参数，并计算车辆当前时刻与前一时刻的位姿偏差，然后输出位姿控制参数至伺服控制器组，伺服控制器组根据电控单元输出的位姿控制参数以及位移传感器的位移反馈值控制各悬挂伺服作动油缸动作，使车辆质心近似沿直线或弧线运动使车体姿态保持不变。2.根据权利要求1所述的基于车辆位姿偏差的惯性调控主动悬挂系统的控制方法，其特征在于：建立以惯性测量单元中心点O为坐标原点的坐标系OXYZ，定义车辆前进的正前方为Y轴正方向，车辆前进的右侧方向为X轴正方向，垂直XOY平面向上的方向为Z轴正方向；定义车体质心为W；在电控单元内部预先设置扫描周期，控制方法包括以下步骤：1)在某个扫描周期内，惯性测量单元测量坐标原点O的垂向位移wO、俯仰角αO与侧倾角βO并输出至电控单元；2)电控单元根据质心W相对坐标原点O的几何关系和坐标原点O的垂向位移wO、俯仰角αO与侧倾角βO，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵丁选，巩明德，刘爽，张祝新，孙志国，杨彬，倪涛，郭庆贺，杨梦轲，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13